Il rame continua a dominare le schede madri anche adesso che il PCIe 6.0 spinge le velocità di trasmissione a livelli impensabili fino a pochi anni fa. Le piste che attraversano un circuito stampato sembrano semplici collegamenti metallici, ma alle frequenze raggiunte da DDR5 e PCI Express non si comportano più come normali fili. Ogni linea diventa una vera e propria struttura elettromagnetica insieme al materiale isolante e al piano di riferimento sottostante. Larghezza, spessore, distanza dagli altri conduttori e persino la rugosità della superficie finiscono per condizionare la qualità del segnale. Eppure, dopo decenni di ricerca su alluminio, argento, grafene e collegamenti ottici, il materiale scelto resta sempre lui.
La presenza del rame nei circuiti stampati risale ai primi PCB prodotti su scala industriale tra gli anni Quaranta e Cinquanta del Novecento. Da allora è cambiato quasi tutto il resto. Le schede sono passate da uno o due strati a stack up che, nei sistemi più complessi, superano anche i 20 livelli. Le frequenze operative sono cresciute di diversi ordini di grandezza e i vecchi collegamenti paralleli hanno lasciato il posto a interfacce seriali velocissime. Il PCIe 6.0 trasferisce 64 GT/s per linea sfruttando quattro livelli di tensione, mentre DDR5 ha portato le memorie desktop e server oltre i 6.400 MT/s nelle specifiche JEDEC, con implementazioni commerciali ancora più spinte.
Il motivo per cui il rame non si tocca è semplice. Non è inerzia industriale. La combinazione tra conducibilità elettrica, capacità di dissipare il calore, lavorabilità e costo lo rende ancora oggi difficile da rimpiazzare. La resistività del rame puro a temperatura ambiente si aggira intorno a 1,68 x 10-8 ohm metro. L’argento fa leggermente meglio, ma parliamo di un margine del 5 o 6 per cento. L’alluminio, invece, si ferma a valori vicini a 2,82 x 10-8 ohm metro, e in pratica una pista di alluminio dovrebbe avere una sezione ben più grande per offrire la stessa resistenza di una in rame.
Lo spazio e il calore contano più di quanto si pensi
Su una scheda madre lo spazio è tutto. Tra socket, slot DIMM, connettori PCIe, regolatori di tensione e decine di controller, i progettisti devono far passare migliaia di connessioni in aree strettissime. Usare un conduttore meno efficiente vorrebbe dire piste più larghe, più spesse o entrambe le cose, con più strati, un PCB più grande e una produzione più complicata. Il rame vanta poi una conducibilità termica intorno ai 400 W/mK, mentre l’alluminio si ferma a circa 235 W/mK. Le zone metalliche vicine ai VRM, i circuiti che regolano la tensione per processore e altri componenti, non trasportano solo corrente ma distribuiscono il calore verso pad termici, dissipatori e strati interni.
Quando un segnale cambia stato molto in fretta, una pista smette di essere un banale collegamento tra due punti e va progettata come linea di trasmissione. Il segnale, in sostanza, si propaga attraverso il campo elettromagnetico che si crea tra la pista, l’isolante e il piano di massa. Esistono due configurazioni principali. La microstrip, con la pista su uno strato esterno e un piano di riferimento sotto. E la stripline, con la pista interna racchiusa tra due piani metallici. In entrambi i casi bisogna mantenere una certa impedenza caratteristica, per esempio 50 ohm su una linea singola o tra 85 e 100 ohm per una coppia differenziale. Anche variazioni minuscole nella geometria possono generare riflessioni ed errori di trasmissione.
Skin effect e rugosità, i nemici invisibili del segnale
Interfacce come PCIe, USB e SATA lavorano con coppie differenziali. Il segnale viaggia su due piste affiancate con tensioni complementari, e il ricevitore misura la differenza tra le due linee anziché il valore rispetto alla massa. Così attenua i disturbi che si accoppiano allo stesso modo. Un via mal posizionato o una discontinuità nel piano di riferimento possono squilibrare la coppia, generando rumore e jitter.
Alle alte frequenze entra poi in scena lo skin effect, l’effetto pelle. La corrente si concentra vicino alla superficie del conduttore, mentre la parte centrale trasporta sempre meno. La profondità di penetrazione nel rame è di circa 2,1 micrometri a 1 GHz e scende a 0,5 micrometri a 16 GHz. Il PCIe 6.0 usa la modulazione PAM4 e trasmette 32 miliardi di simboli al secondo. A velocità simili la corrente penetra nel rame solo per una frazione di micrometro, mentre una pista comune è spessa circa 35 micrometri. Ecco perché aumentare lo spessore del rame aiuta poco sulle perdite ad alta frequenza, ma resta prezioso per trasportare correnti elevate e distribuire il calore. C’è infine la rugosità della superficie, utile per l’adesione alla resina ma dannosa alle alte frequenze, dato che allunga il percorso della corrente. Per i canali più esigenti si passa così ai fogli VLP e HVLP, rame a profilo molto basso.