כאשר תדרי העבודה של לוחות PCB עוברים מטווח ה-MHz אל טווח ה-GHz, סדרי העדיפויות בתכנון משתנים.
רדיד הנחושת כבר אינו רק שכבה מוליכה — מרקם פני השטח שלו משפיע ישירות על התפשטות האות והוא הופך למקור מרכזי להפסדי אות במהירויות גבוהות.
מאמר זה מסביר, מזווית הנדסית, כיצד חספוס רדיד הנחושת משפיע על עמעום האות (Signal Attenuation) ב-PCBs מהירי-אות.
1. אפקט העור (Skin Effect) — ב-HF הזרם זורם על פני השטח
כשהתדר עולה, הזרם נוטה לזרום בעיקר סמוך לפני השטח של המוליך.
תופעה זו נקראת אפקט העור.
עומק העור (Skin Depth) קטן עם העלייה בתדר, ובתדרים מעל 1 GHz הוא בסדר גודל שקרוב לחספוס הממוצע של רדיד נחושת 0.5 oz בצד המבריק.
כלומר, כאשר חספוס פני השטח של הנחושת נמצא באותו סדר גודל כמו עומק העור, פרופיל פני השטח איננו עוד פרט מיקרוסקופי — והוא משפיע ישירות על הולכת האות.
2. למה חספוס מוסיף הפסדים נוספים
הפסדי אות ב-PCBs מהירי-אות נובעים בעיקר משני מקורות:
- הפסד דיאלקטרי (Dielectric Loss)
- הפסד מוליך (Conductor Loss)
הפסד המוליך אינו נגרם רק מההתנגדות האוהמית של המתכת, אלא גם מהפסד פיזור (Scattering Loss) הנובע מחספוס פני השטח.
משטח מחוספס מאלץ את הזרם לנוע במסלול ארוך ומפותל יותר, מה שמגדיל את ההתנגדות ואת אובדן האנרגיה.
האפקט הזה מתגבר במהירות ככל שהתדר עולה.
3. תוצאות בדיקה — הבדלים קטנים בתדר נמוך, גדולים בתדר גבוה
מחקרים על סוגים שונים של רדידי נחושת מראים:
- סביב 1 GHz, ההבדלים בהפסד בין רדידים ברמות חספוס שונות קטנים.
- בתדרים גבוהים יותר, ההבדלים גדלים במהירות.
- ככל שהמשטח מחוספס יותר — עמעום האות גדול יותר.
לכן חספוס הנחושת, שלעתים מתעלמים ממנו בתכן איטי, הופך לנושא קריטי בתכן מהיר וביישומי RF.
4. השפעת הייצור — Brown Oxide אינו “חינם”
בייצור PCB, תהליך Brown Oxide מחספס את פני השטח של הנחושת באמצעות כימיות של תחמיץ (Oxide) או תחליף-תחמיץ כדי לשפר את ההידבקות בין שכבות הפנים.
השוואות בדיקה ב-1 GHz מראות:
- דגימות חלקות יותר: Df ≈ 0.021
- דגימות מחוספסות יותר: Df ≈ 0.026
התוצאות מראות שלמרות שחספוס משטח משפר את חוזק ההידבקות, החספוס המוסף עלול להפוך למקור עיקרי להפסדי אות בתכן מהיר.
5. מסקנות הנדסיות — להתאים את רדיד הנחושת ל-Signal Integrity
במהירויות ברמת ה-GHz או ביישומי RF, בחירת רדיד הנחושת וטיפולי המשטח חייבות להתיישר עם דרישות שלמות האות (SI).
רבים מהמתכננים בוחרים כיום:
- רדיד נחושת Low-Profile
- רדיד נחושת Ultra-Low-Profile
- רדיד נחושת Reverse-Treated (RTF)
רדידים אלה מסייעים לשמור על אמינות טובה, תוך מזעור Insertion Loss ועמעום אות.
סיכום
בתכנון PCB מהיר-אות מודרני, רדיד הנחושת עבר ממעמד של “חומר רקע” לגורם פעיל שמעצב את שלמות האות.
הבנה ושליטה בחספוס פני השטח של הנחושת הן צעדים מרכזיים להשגת ביצועים אמינים בעידן ה-GHz.
