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铜损耗是互连损耗的一个因素。表面纹理或粗糙度长期以来一直被认为是光滑铜的额外损耗。随着三井矿业冶炼有限公司(Mitsui Kinzoku)最近推出的SI-VSP(非常光滑的轮廓)铜箔，我们可能已经达到了极限。
一个小视角
所有以1gbps及以上速度运行的高速电子产品都会受到互连中频率相关损耗的影响。如果你不考虑这些因素，你的产品很有可能无法工作。
这些与频率相关的损耗可以将发送端的漂亮眼睛转换为接收端的完全闭着的眼睛。示例显示在图1。
图1在经过一个有损耗的互连后，它看发射机TX和接收机RX的眼图。
设计一个具有成本效益的系统需要在所需的性能和功耗、美元、风险和时间成本之间取得微妙的平衡。虽然在Nyquist上，均衡甚至可以达到- 35 dB，但这是以更高的功耗为代价的。
在损失占主导的系统中，我们遇到了基本物理极限我们可以从系统中得到性能。当您的设计受到损耗的限制时，重要的是要考虑所有可用的选项，以实现系统中更低的损耗。一般来说，只有两种材料选择:较低的Df层压板和铜箔，它与理想铜的行为尽可能接近实际。
这些市场力量一直在推动层压板供应商提供耗散系数越来越低的层压板。同样的驱动力推动了铜箔供应商，现在我们正在接近铜箔，其性能几乎与理想铜的预期相同。
铜的作用
每段铜线长度的串联电阻的频率依赖性取决于三个因素:
- 铜导电率
- 线宽
- 表面粗糙度
影响铜损耗频率依赖性的一阶因素是集肤深度效应。这导致电流重新分布在信号跟踪和返回路径作为频率增加。这意味着电流流过更窄的横截面，电阻上升。
在大约3 GHz以上，铜痕迹的串联电阻增加了比预期的皮肤深度效应。这与铜的粗糙度或表面纹理有关。在较高的频率，表面粗糙度可以超过两倍的衰减预期从理想的光滑铜。
生产铜箔的目标是开发一种具有成本效益的工艺，使铜足够光滑，因此它不会增加额外的损失，但仍然与层压板化学兼容，以提供足够的附着力、机械性能和蚀刻质量。
在他们最近宣布的铜箔SI-VSP中，三井金竹已经接近理想的光滑铜性能。图2是其电沉积(ED)铜箔镜面光滑表面纹理的一个例子，与其他ED工艺中的传统哑光表面光洁度相比。
这一创新是新的电镀化学和工艺的结果，以设计电沉积铜箔的晶粒结构。
图2左:传统ED铜箔的示例，右:VSP系列铜箔的样品，镜面光滑，反映出芒果，在台湾生产这种箔很常见。
拜访三井金竹工程经理
最近，我与SI工程师Hiroshi Ono，三井金佐公司新产品和工艺开发副总经理Shinichi Obata，以及橡树-三井技术公司FaradFlex市场经理Eriko Yamato坐了下来图3.）
图3从左至右，大田新一、小野浩、大和理子。
在台湾的工厂，三井金竹每月生产1800吨铜箔卷和铜箔片。所有这些都是ED。生铜库存从一端进来，切成薄片，准备分层，从另一端出来。完整的流程流显示在图4。
图4从原铜到成品铜片的完整工艺流程。
在ED过程中，铜被连续镀在钛表面的滚筒上，每隔几分钟旋转一圈。与滚筒接触的一侧从滚筒上脱落，几乎与抛光后的滚筒表面一样光滑。与溶液接触的那一面通常是比较粗糙的表面。这被称为哑光或溶液面。
溶液侧的表面纹理由电镀化学、有机添加剂、电镀电流分布和滚筒速度控制。专有的有机添加剂在镀液中，并精心控制其他条件，结果不同的结节结构和表面粗糙度。图5是哑光侧四类铜板粗糙度的示例:
- III级是平滑度的最低等级
- VLP的外形非常低，抗拉强度很高
- S-HTE是超高温延伸
- VSP是非常光滑的轮廓
铜晶粒尺寸是影响铜箔电学、机械和纹理性能的主要因素。不同的最终用途应用对机械性能、热稳定性、精细线条图案、机械粘附的粗糙表面纹理或粗糙度降低衰减的光滑纹理的组合有不同的要求。具有独特颗粒结构的每一级箔都是用不同的化学成分生产的，成本也不同。
类型III是最常见的，通用的，和最低成本的箔，约90%的箔制造。
VLP箔用于IC封装衬底，具有机械性能和细晶粒尺寸之间的平衡，因此可以以可接受的成本在细线条上进行图案设计。
图5用控制晶粒结构的不同电镀化学物质创建的四个铜纹理家族的示例。
最新一代VSP铜箔
SI-VSP箔是成本最高的，但也是最光滑的表面，并提供最低的损失。VSP箔的第一个版本于2012年推出。在过去的七年中，VSP化学技术已经取得了进展，最新版本的VSP箔SI-VSP刚刚被取样。SI-VSP的均方根(Rz)表面轮廓约为0.5微米。
不同等级VSP箔的不同结节结构和所产生的表面纹理对损耗的影响如图所示图6。
图6四种不同类型VSP箔的相同样品的插入损耗测量结果显示，随着结节尺寸的减小，损耗减小。损失最大的样品MLS-G属于III类。
光滑的铜表面具有较低的损耗。直接的结果是，对层压表面的机械附着力会降低。为了补充机械附着力，铝箔出厂前要进行三次表面处理。
应用结节处理以增加与表面的结合。然后在铜的表面镀上铬酸锌合金。这提供了一个更具有化学活性的表面，以获得更好的粘附性，但不改变表面纹理。然后，在表面涂覆硅烷偶联剂，作为粘附促进剂。这些材料，为不同的层压板化学定制，增加与层压板的附着力至少3磅/英寸。剥离强度。在电路板制造过程中，它们还有助于光刻胶的粘附。
所述硅烷耦合粘附促进剂既协助所述层压材料的粘附，又在电路板制造中协助所述光刻胶的粘附。这意味着更好地控制线宽，在需要时，可以蚀刻更细的线。
每一种不同等级的VSP箔都有不同的表面纹理，对过量粗糙度损失的贡献不同，成本也不同。这使得在选择具有可接受的低损耗的最低成本箔时，可以在成本性能权衡中获得更好的平衡。这也是为什么精确的建模工具不仅对导航互连结构的性能很重要，而且对成本-性能平衡也很重要。
结论
随着新的SI-VSP铜箔的推出，铜的损耗已经达到了极限。减少铜损耗的唯一方向是拓宽线路。这将成为实现更高数据速率的成本性能权衡的重要杠杆。