一种面向高频铜箔电特性的直接表征方法

很多高速板材讨论，一上来就会问两个指标：铜箔有多粗？插损有多大？

但这份来自 DesignCon 2026 的分享想指出一个更本质的问题: 如果我们真正关心的是高频下铜箔给链路带来了多少导体损耗，那么只盯住粗糙度，往往并不够。

作者团队提出的核心思路是，把“高频表面电导率”作为一个更直接的表征量。它试图跳过“只看形貌”的间接判断，也尽量避开“整板测插损”时多种损耗耦合在一起的干扰，更直接地回答一个 SIPI 工程师真正关心的问题: 这张铜箔在高频下到底导得怎么样。

问题引入

在高频/高速场景里，导体损耗会随着频率升高变得越来越敏感。原因并不陌生: 趋肤效应让电流逐渐被压缩到导体表面附近，铜表面的微观形貌、表层处理以及材料本身的微结构，都会开始明显影响损耗。

这也是为什么行业长期以来会把“低轮廓铜箔”视为高速材料的重要方向。但问题在于，工程上最容易拿到的数据，往往只是粗糙度参数；而粗糙度并不能完整代表高频导体损耗。

作者在一开始就点明了两个常被忽略的变量：

• • 晶粒尺寸会影响电子在晶界处的散射，从而影响有效电导率。
• • 抗氧化层，尤其是含镍表面层，会改变表层的高频导电行为。

换句话说，如果只用一个粗糙度数字去预测高频损耗，很容易把问题看简单了。

为什么只看粗糙度不够

传统粗糙度测量当然有价值，但它们各自都有边界。

接触式轮廓仪是最传统的方法，能看到较大尺度的起伏，也就是通常说的宏观粗糙度或波纹度；但当铜箔进入 HVLP2 甚至更低轮廓等级后，很多小于 1 微米的表面特征，它其实已经看不清了。

白光干涉之类的光学方法更进一步，优点是非接触、分辨率更高，观测面积也足够大，能同时兼顾宏观和微观粗糙度，所以比单纯接触式方法更适合今天的低粗糙度铜箔评估。但即便如此，到了 HVLP4+ 这类更细小的结节结构，仍然会遇到分辨率边界。

图1｜白光干涉法可以同时观察宏观与微观粗糙度，但对 HVLP4+ 级别的超细表面特征仍可能分辨不足

另一种常见做法是直接测插入损耗。它看起来离最终应用更近，但同样并不完美。因为插损里混合了导体损耗、介质损耗、辐射损耗，甚至还有泄漏等贡献；而且在 stripline 结构里，铜箔本体和氧化处理层的影响往往并不容易拆开。更现实的一点是，这种测试通常更慢，也更贵。

所以作者的判断很明确：如果能直接测铜箔在高频下的电学表现，会比“只看粗糙度”或“只看整板插损”都更有解释力。

方法拆解：把高频表面电导率直接测出来

这份工作最有意思的部分，在于它把“高频表面电导率”拉成了一个可测量、可比较的工程指标。

作者采用的是谐振器方案。基本原理不复杂：在谐振频率处，谐振腔中的切向磁场会在金属表面激发表面电流；如果金属表面电导有限，这些电流就会耗散能量，并体现在谐振器品质因子 Q 的变化上。再结合参考结构和几何因子，就能反推出表面电阻，进一步换算为表面电导率。

图2｜利用谐振器 Q 值变化提取铜箔在高频下的表面电导率，是本文的核心测量方法

从 slides 给出的信息看，这套方法当前覆盖的谐振频点包括 13、20、28 和 44 GHz，100 GHz 以上仍在开发中。样品尺寸约为 4x4 英寸，基于 VNA 测试，单次测试时间只需几分钟。

这意味着什么？它不像插损测试那样依赖完整走线 coupon，也不只是停留在表面形貌观察，而是在“更接近高频电流真实流动位置”的层面上，去测材料本身。

关键结果一：粗糙度确实重要，但不是全部

先看最符合直觉的一条结论：粗糙度和高频表面电导率之间，确实存在很强相关性。

作者给出的 20 GHz 结果显示，表面电导率与 Sdr 的相关性很好，拟合优度达到 R² = 0.93。也就是说，粗糙度越大，表面电导率通常越低，这一点并不令人意外。

图3｜在 20 GHz 下，表面电导率与 Sdr 呈现出明显相关性，但 HVLP+ 铜箔出现了偏离趋势线的离群点

真正值得注意的，是图中的那批离群点。作者特别指出，这些偏离趋势线、表现比预期更好的样本，多数来自 HVLP2+ 等更先进的低轮廓铜箔。

这说明一件事：即便你已经掌握了粗糙度，仍然可能解释不完高频损耗表现。也正是这些“解释不完的点”，推动作者继续往更深一层去看。

关键结果二：结节尺寸与趋肤深度的相对关系，决定了低粗糙度铜箔的真实收益

对高速工程师来说，本文最有启发的一页，可能就是关于趋肤深度的解释。

作者把 HVLP2、HVLP3、HVLP4、HVLP5 这类材料放到一起看，发现当表面结节尺寸已经接近甚至小于趋肤深度时，继续降低表面起伏，对信号损耗的负面影响就会迅速减弱。

在 21 GHz 左右，slides 给出的铜中趋肤深度约为 0.45 µm。其中：

• • HVLP2 的结节高度大约在 0.5-1 µm，与趋肤深度相当。
• • HVLP3 的结节高度大约在 0.2-0.5 µm，已经低于趋肤深度。

这也就解释了为什么有些 HVLP2+ 样本会落在粗糙度趋势线之上：不是粗糙度不重要了，而是它的几何尺度开始和高频电流的“有效活动厚度”进入同一个量级，损耗机理变了。

图4｜当表面结节尺寸小于趋肤深度时，粗糙度对信号损耗的影响会明显减弱

这一点非常关键。它提醒我们，粗糙度参数不能脱离频率单独看。相同一张铜箔，在不同频段的“损耗敏感性”并不一样；材料表面特征和趋肤深度的相对尺度，才是真正值得建模的量。

关键结果三：晶粒尺寸也会影响高频表面电导率

粗糙度之外，作者进一步单独研究了晶粒尺寸的影响。为了避免把粗糙度影响混进去，他们专门做了一个很有工程味道的实验设计：先制备具有不同晶粒尺寸的铜箔，再通过化学抛光把表面粗糙度尽量消掉，最后再去测表面电导率。

图5｜在尽量剥离粗糙度影响后，作者观察到晶粒尺寸对表面电导率仍有明确影响

结果显示，晶粒尺寸越小，电导率越低，这和 DC 条件下晶界散射增强的认知是一致的。更有意思的是，至少在 20 GHz 以内，更小晶粒并没有带来额外的“频率放大损失”。作者据此提出一个很实用的判断：DC 电导率数据有机会用于预测晶粒尺寸在更高频下的影响趋势。

这条结论的工程意义在于，未来评价高速铜箔时，不能只问“表面有多平”，还要问“铜本身的微结构做成了什么样”。

关键结果四：超薄镍抗氧化层也不是可以忽略的小事

不少铜箔会沉积很薄的镍层来提高抗氧化能力。工程上经常默认“这层太薄了，应该影响不大”，但作者专门验证了这个问题。

结果表明，随着镍层厚度从 0 增加到 1000 nm，表面电导率会持续下降。其机理并不只是因为镍的导电率低，还和镍的磁导率会压低趋肤深度有关。

更值得注意的是，作者发现厚镍层在 20 GHz 下的表面电导率反而高于 13 GHz。如果只用固定磁导率去做仿真，是无法拟合实验数据的；只有把镍在更高频段的顺磁特性下降考虑进去，模型才和测量相符。

图6｜镍抗氧化层越厚，表面电导率越低；同时其磁性参数在不同频段的变化也会影响结果解释

对于实际工艺，这里有一个非常有价值的量化结论：根据作者实验与模型估算，3 nm 的镍层在 20 GHz 下造成的表面电导率下降大约只有 0.5%。这个数不算大，但它至少给了工程团队一个可落地的数量级判断，而不是继续停留在“可能有影响”。

关键结果五：表面电导率与插损结果能够对得上

材料表征方法要真正成立，最终还是要回到链路性能上验证。

作者把不同铜箔的高频表面电导率结果，与微带线插损测试结果放在一起比较，发现两者走势是对齐的。尤其是在 HVLP2、HVLP3、HVLP5 这些相邻等级之间，表面电导率指标表现出不错的分辨能力。

图7｜高频表面电导率与插损测试结果整体一致，说明该指标确实能够映射到实际链路损耗表现

这一步很重要。因为它说明“表面电导率”不是一个只在实验室里好看的新参数，而是有机会成为材料筛选、损耗建模和 laminate 选型的中间桥梁。

工程意义：给 SIPI 建模带来的几个直接启发

如果把这份分享放到实际 SI/PI 工作流里，我觉得至少有四个启发。

第一，不要再把粗糙度当成铜箔高频性能的唯一代理变量。对超低轮廓铜箔来说，粗糙度当然仍然重要，但它已经不是全部。

第二，材料评估应该从“形貌指标”转向“电学指标 + 形貌指标”的组合。表面电导率之所以有价值，就在于它把粗糙度、晶粒尺寸、表层处理等因素，统一投影到了一个和高频损耗更直接相关的量上。

第三，建模时要特别关注“表面特征尺寸”和“趋肤深度”的相对关系。很多传统粗糙度修正模型在更高等级铜箔上之所以逐渐失灵，本质上就是因为它们没有把这个相对尺度问题真正表达清楚。

第四，对于供应链选型和材料对比，这类方法可能比单次 coupon 插损测试更适合做前期筛选。它更快、更便宜，也更容易把材料本体差异从板级结构差异里剥离出来。

当然，这份工作也有边界。当前 slides 展示的核心测量频点仍集中在 13-44 GHz，100 GHz 以上还在开发中；另外，它更像一种高频材料表征方法，而不是直接取代所有系统级插损测试。真正进入产品设计，最终仍需要和叠层、线宽、铜厚、介质损耗以及工艺细节一起联动评估。

写在最后

这份分享最值得关注的地方，不是又提出了一个新的粗糙度参数，而是它试图把讨论从“铜表面长什么样”，推进到“铜表面在高频下到底怎么导电”。

对于今天的高速链路设计，这种转变很重要。因为频率越高、铜箔越平、工艺越复杂，单一粗糙度数字能解释的问题就越少；而一个可以直接连接材料、机理和插损表现的电学指标，才更接近我们真正需要的建模输入。

如果后续这类方法能继续扩展到更高频段，并逐步形成更稳定的材料数据库，那么它很可能会成为先进 PCB 材料选型中的一个新基准。

参考论文

论文来源：Thomas Devahif，Janusz Rudnicki，DesignCon 2026 slides
论文题目：Beyond Roughness Measurement: A Novel Method for High-Frequency Electrical Characterization of Copper Foils