使用SIDesigner進行銅箔粗糙度建模及仿真分析

前言

高速設(shè)計需要考慮很多因素，比如板材、疊層、傳輸線、串?dāng)_控制等等，在高帶寬場景中銅箔粗糙度是影響SI性能的關(guān)鍵因素之一。

銅箔介紹及粗糙度

銅箔介紹

銅箔是PCB主要金屬導(dǎo)電材料，銅箔表面并不理想光滑而是具有粗糙的結(jié)構(gòu)，實際加工中有意粗糙化銅箔表面，以使銅箔在高溫和壓力下粘附到相鄰介質(zhì)上，高速信號就好像沿著銅箔表面高低起伏的連綿山丘傳輸一樣。銅箔光滑的一面稱為光面（Drum Side），另一面是粗糙面，稱為毛面（Matte Side）。

銅箔類型按照制作工藝可以分為電解銅箔和壓延銅箔，電解銅箔主要應(yīng)用硬線路板上。壓延銅箔主要用在對彎曲、拉伸強度有較高要求的撓性板上。

銅箔按性能大致有以下常見類型：

標(biāo)準(zhǔn)銅箔STD、高溫延伸性銅箔HTE、反轉(zhuǎn)銅箔RTF、低輪廓銅箔VLP、超低輪廓銅箔HVLP、超薄銅箔ULP。

趨膚效應(yīng)及粗糙度

趨膚效應(yīng)使高速信號電流呈現(xiàn)出向傳輸線表面集中的趨勢，如果趨膚深度比銅箔粗糙度小，則大部分電流將在銅箔的粗糙結(jié)構(gòu)中傳播，會導(dǎo)致串聯(lián)電阻和導(dǎo)體損耗增加，銅箔粗糙度如果沒有良好控制則會嚴(yán)重影響傳輸線阻抗和損耗，降低高速信號SI性能。

粗糙度量化指標(biāo)有多種形式，常見的有：

Ra：在取樣長度L內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，適用于銅箔光面

Rz：在取樣長度內(nèi)5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和，適用于銅箔毛面

Rq：均方根值RMS

粗糙度模型

常見粗糙度模型有Hammerstad模型、Hemisphere模型以及Huray模型。

1、Hammerstad模型簡單，該模型是基于鋸齒形式同時假設(shè)信號沿著表面?zhèn)鞑?，但是對高粗糙度銅箔擬合較差，在低頻段擬合較好。

2、Hemisphere模型在高頻段擬合較好，但是低頻段擬合較差。模型有三種建模方法（L1L2L3），區(qū)別在于模型精細(xì)化程度，以獲得不同的建模精度。

3、Huray模型使用雪球堆疊成金字塔型更接近實際情況，在整個頻段擬合較好。

huray模型有兩種建模方法：

a) Huray Snowball Surface Roughness Model：特點是雪球非均勻分布，需要獲取粗糙度因子the roughness factor 和雪球半徑ball radius詳細(xì)參數(shù)才能精確建模，這些參數(shù)不易從廠家獲取。

b)Cannonball-Huray Surface Roughness Model：可以看作簡化的hury模型，它的基本結(jié)構(gòu)是由14個雪球堆疊成一個三層金字塔，從bottom到top層依次有9、4和1個雪球均勻分布堆疊而成，根據(jù)廠家datasheet中的參數(shù)可以很容易完成建模。

使用SIDesigner進行

粗糙度建模及仿真分析

使用SIDesigner中的transmissionline控件，用戶可以為傳輸線建立粗糙度模型。如圖所示，有四種粗糙度模型可供選擇，即Hammerstad&Jensen、Multilevel Hemispherical、Hury Snowball和Simplified Hury Snowball。

基本操作步驟如下：

1、原理圖上放TML控件

2、打開TML編輯對話框，勾選粗糙度，打開粗糙度設(shè)置對話框

3、選擇粗糙度模型，進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置

4、點擊Analyze進行快速電氣特性分析，查看阻抗

5、點擊Calculation進行S參數(shù)掃描分析，輸出損耗波形

綜上可知，巨霖SIDesigner可以提供高速信號完整性解決方案，支撐客戶當(dāng)下和未來高速設(shè)計仿真需求。通過簡單易用的操作界面，用戶可以方便地進行銅箔粗糙度建模，快速評估銅箔粗糙度對傳輸線和系統(tǒng)SI的影響，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計隱患，可靠評估系統(tǒng)SI設(shè)計方案，為未來產(chǎn)品化落地打下堅實基礎(chǔ)。

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