L'industrie des matériaux pour circuits imprimés a consacré beaucoup de temps au développement de matériaux offrant la plus faible perte de signal possible. Pour les conceptions à haute vitesse et haute fréquence, les pertes limitent la distance de propagation du signal et le déforment, créant ainsi une déviation d'impédance visible dans les mesures TDR. Lors de la conception de circuits imprimés et du développement de circuits fonctionnant à des fréquences plus élevées, il peut être tentant d'opter pour le cuivre le plus lisse possible pour toutes vos conceptions.

S'il est vrai que la rugosité du cuivre crée des écarts d'impédance et des pertes supplémentaires, quel doit être le degré de lissage d'une feuille de cuivre ? Existe-t-il des méthodes simples pour compenser les pertes sans choisir un cuivre ultra-lisse pour chaque conception ? Nous aborderons ces points dans cet article, ainsi que les critères à prendre en compte lors de l'achat de matériaux pour empilement de circuits imprimés.

Types deFeuille de cuivre pour PCB

Généralement, lorsqu'on parle de cuivre sur des circuits imprimés, on ne mentionne pas le type de cuivre spécifique, mais seulement sa rugosité. Les différentes méthodes de dépôt de cuivre produisent des films présentant des rugosités différentes, clairement identifiables sur une image obtenue au microscope électronique à balayage (MEB). Si vous prévoyez d'utiliser des fréquences élevées (généralement 5 GHz ou plus en Wi-Fi) ou des débits élevés, prêtez attention au type de cuivre spécifié dans la fiche technique de votre matériau.

Assurez-vous également de bien comprendre la signification des valeurs Dk dans une fiche technique. Regardez ce podcast avec John Coonrod de Rogers pour en savoir plus sur les spécifications Dk. Dans cette optique, examinons quelques-uns des différents types de feuilles de cuivre pour circuits imprimés.

Électrodéposé

Dans ce procédé, un tambour est soumis à une solution électrolytique, puis une réaction d'électrodéposition est utilisée pour faire croître la feuille de cuivre sur le tambour. Pendant la rotation du tambour, le film de cuivre obtenu est lentement enroulé sur un rouleau, donnant une feuille de cuivre continue qui peut ensuite être laminée sur un laminé. La face du cuivre côté tambour correspondra sensiblement à la rugosité du tambour, tandis que la face exposée sera beaucoup plus rugueuse.

Feuille de cuivre électrodéposée pour PCB

Production de cuivre électrodéposé.
Pour être utilisé dans un procédé de fabrication de PCB standard, la face rugueuse du cuivre est d'abord collée à un diélectrique verre-résine. Le cuivre exposé restant (côté tambour) doit être rendu chimiquement rugueux (par exemple, par gravure plasma) avant d'être utilisé dans le procédé standard de laminage cuivré. Cela permettra de garantir sa liaison à la couche suivante du PCB.

Cuivre électrodéposé traité en surface

Je ne connais pas le meilleur terme qui englobe tous les différents types de surfaces traitéesfeuilles de cuivre, d'où le titre ci-dessus. Ces matériaux en cuivre sont plus connus sous le nom de feuilles traitées à l'envers, bien que deux autres variantes soient disponibles (voir ci-dessous).

Les feuilles traitées inversement utilisent un traitement de surface appliqué sur la face lisse (côté tambour) d'une feuille de cuivre électrodéposée. Une couche de traitement est une fine couche qui rend le cuivre rugueux intentionnellement, lui permettant ainsi une meilleure adhérence au matériau diélectrique. Ces traitements agissent également comme une barrière anti-oxydation qui prévient la corrosion. Lorsque ce cuivre est utilisé pour créer des panneaux stratifiés, la face traitée est collée au diélectrique, tandis que la face rugueuse restante reste exposée. La face exposée ne nécessite aucun dépolissage supplémentaire avant la gravure ; elle est déjà suffisamment résistante pour se lier à la couche suivante de l'empilement de circuits imprimés.

Il existe trois variantes de feuilles de cuivre traitées à l'envers :

Feuille de cuivre à allongement à haute température (HTE) : il s'agit d'une feuille de cuivre électrodéposée conforme aux spécifications IPC-4562 Grade 3. La face exposée est également traitée avec une barrière anti-oxydation pour prévenir la corrosion pendant le stockage.
Feuille doublement traitée : cette feuille de cuivre est traitée sur les deux faces. Ce matériau est parfois appelé « feuille traitée côté tambour ».
Cuivre résistif : Ce cuivre n'est généralement pas classé comme traité en surface. Cette feuille de cuivre utilise un revêtement métallique sur la face mate du cuivre, qui est ensuite rendue rugueuse jusqu'au niveau souhaité.
L'application du traitement de surface dans ces matériaux en cuivre est simple : la feuille est laminée dans des bains d'électrolyte supplémentaires qui appliquent un placage de cuivre secondaire, suivi d'une couche de germination barrière et enfin d'une couche de film anti-ternissement.

feuille de cuivre pour PCB

Procédés de traitement de surface des feuilles de cuivre. [Source : Pytel, Steven G., et al. « Analyse des traitements au cuivre et de leurs effets sur la propagation du signal ». 58e Conférence sur les composants électroniques et les technologies, 2008, p. 1144-1149. IEEE, 2008.]
Grâce à ces procédés, vous disposez d’un matériau qui peut être facilement utilisé dans le processus de fabrication de cartes standard avec un traitement supplémentaire minimal.

Cuivre laminé-recuit

Les feuilles de cuivre laminées-recuites passent un rouleau de cuivre entre deux rouleaux, qui laminent à froid la feuille de cuivre jusqu'à l'épaisseur souhaitée. La rugosité de la feuille obtenue varie en fonction des paramètres de laminage (vitesse, pression, etc.).

La feuille obtenue peut être très lisse, et des stries sont visibles à la surface de la feuille de cuivre laminée-recuite. Les images ci-dessous comparent une feuille de cuivre électrodéposée à une feuille laminée-recuite.

Comparaison des feuilles de cuivre des PCB

Comparaison des feuilles électrodéposées et laminées-recuites.
Cuivre à profil bas
Il ne s'agit pas nécessairement d'un type de feuille de cuivre que l'on fabriquerait avec un autre procédé. Le cuivre à profil bas est du cuivre électrodéposé, traité et modifié par micro-rugosité afin d'obtenir une rugosité moyenne très faible et suffisante pour l'adhérence au substrat. Les procédés de fabrication de ces feuilles de cuivre sont généralement propriétaires. Ces feuilles sont souvent classées en profil ultra bas (ULP), profil très bas (VLP) et profil bas (LP, rugosité moyenne d'environ 1 micron).

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