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Technologie PCB
Analyse de l'influence de la profondeur cutanée sur la structure des PCB RF
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Analyse de l'influence de la profondeur cutanée sur la structure des PCB RF

Analyse de l'influence de la profondeur cutanée sur la structure des PCB RF

2021-08-22
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Author:Aure

Influence of Skin Depth on Different RF Responses Circuits imprimés structures

Skin depth is usually used to describe the behavior of current flowing through Conducteurs de circuitss, En particulier Circuits imprimés circuits at RF/Fréquence des micro - ondes. When direct current (DC) passes through the Circuits imprimés circuit Conducteurs, the current density in the conductor is evenly distributed. Cependant,, when a high-frequency sinusoidal current flows through a Circuits imprimés conductor, the current density distribution inside the conductor will change. Par rapport à la surface du conducteur, the internal current density will become smaller and smaller. La profondeur cutanée de tous les conducteurs indique la profondeur à laquelle la densité de courant sur la surface du conducteur tombe à 1/e. La profondeur cutanée est un paramètre important à prendre en considération lors de la conception de lignes de transmission à haute fréquence ou de circuits RF., Il s'agit également d'un facteur que tous les logiciels de modélisation de simulation de circuits doivent prendre en considération lors de la modélisation de circuits RF./microwave frequency band.

The mathematical expression of skin depth ð is: ð = (1/πfµÏƒ)0.5

Where f is the frequency, μ is the magnetic permeability, ƒ est la conductivité électrique. En observant cette formule,, we can see that the skin depth of the conductor is inversely proportional to the frequency. Donc la profondeur de la peau Carte de circuit haute fréquence is actually a very small thickness.

Densité actuelle

Dans le cas du courant direct, 100% des conducteurs sont utilisés pour transmettre le courant. Tous les conducteurs connectés au courant continu ont une densité de courant uniformément répartie sur leur section transversale. Cependant, pour les courants dont la fréquence sinusoïdale varie, la distribution de la densité de courant à l'intérieur du conducteur est différente et la densité de courant à la surface extérieure du conducteur est plus élevée que celle à l'intérieur et au milieu du conducteur. Comme le montre l'expression mathématique de la profondeur de la peau: avec l'augmentation de la fréquence, la densité de courant sur la surface extérieure du conducteur augmente. À très haute fréquence, la densité de courant à l'intérieur du conducteur est très faible, voire nulle. La plus grande partie de la densité de courant est concentrée sur la surface extérieure du conducteur. En fait, plus la fréquence est élevée, plus la profondeur cutanée du conducteur est faible.

Quelle est donc la profondeur réelle de la peau d'un conducteur normal? Prenons l'exemple du cuivre. La profondeur de la peau diminue avec la fréquence. La profondeur épidermique du cuivre est de 2,95 m (0116 mils) à 500 MHz, de 2,09 m (0082 mils) à 1 GHz, de 0,66 m (0026 mils) à 10 GHz, de 0,30 m (0012 mils) à 50 GHz et de 0,23 m (0009 mils) à 80 GHz. De toute évidence, la plus grande partie de la densité de courant à la fréquence des ondes millimétriques se trouve près de la surface du conducteur de cuivre.

Circuits imprimés

So, Quand le cuivre sur le circuit sera - t - il trop mince pour être un bon conducteur?? Since the size of the circuit geometry is a function of wavelength, Il diminue avec la fréquence. For high-frequency RF/Circuit micro - ondes, En particulier la fréquence des ondes millimétriques, strict etching control of Circuits imprimés Besoin de fil de cuivre. Some applications require very thin circuit board materials with copper foil, Parce qu'une feuille de cuivre plus mince peut mieux contrôler la corrosion Circuits imprimés Caractéristiques du circuit, such as strip lines and microstrip transmission lines. One-quarter ounce (0.25oz) copper foil is very thin copper, Épaisseur standard 8.89 microns (0.35mils). Par rapport aux autres épaisseurs, this thin copper conductor provides sufficient skin depth for frequencies well below 500 MHz and well above 500 MHz.

Étant donné que la surface du conducteur a une densité de courant plus élevée à des fréquences plus élevées, la rugosité de la surface de la Feuille de cuivre à l'interface substrat - conducteur peut influer sur la profondeur de la peau du conducteur dans les Circuits imprimés. Étant donné que la densité de courant augmente vers la surface extérieure du conducteur à des fréquences plus élevées, une surface plus rugueuse du conducteur de cuivre, en particulier la rugosité de la Feuille de cuivre à l'interface substrat - conducteur, augmentera la perte de circuit du conducteur.

En plus d'augmenter la perte du conducteur, la surface rugueuse du conducteur de feuille de cuivre réduira également la réponse de phase et la vitesse de phase du circuit, de sorte que la performance du circuit ressemble à un substrat avec une constante diélectrique (DK) plus élevée. Par conséquent, pour un matériau de substrat ayant la même constante diélectrique, un circuit ayant une surface conductrice en feuille de cuivre lisse a un DK effectif inférieur à un circuit ayant une surface conductrice en feuille de cuivre rugueuse. La fréquence à prendre en considération pour la rugosité de surface des conducteurs de cuivre dépend de la profondeur de la peau du conducteur. Lorsque la profondeur de la peau est égale ou plus mince que la rugosité de la surface du conducteur, la rugosité de la surface du conducteur affecte la performance du circuit RF / micro - ondes. Par exemple, le cuivre électrolytique (ed) a généralement une rugosité de surface d'environ 2 ¼ m RMS et affectera les performances RF du circuit à une fréquence d'environ 1 GHz. Le cuivre laminé a une rugosité de surface plus lisse d'environ 0,35 ¼ mrms et n'affecte pas les performances des circuits RF / micro - ondes lorsqu'il est inférieur à 40 GHz.

Analyse approfondie

Lors de la conception et de la modélisation de circuits à haute fréquence, pour effectuer des simulations significatives, la profondeur réelle de la peau est souvent plusieurs fois supérieure à la profondeur théorique calculée (jusqu'à 5 fois la valeur d). Selon la formule de calcul de D, la profondeur de la peau dépend de la conductivité du conducteur. Cependant, nous devons tenir compte non seulement de la conductivité du cuivre, mais aussi de la conductivité de tout traitement de surface qui protège les fils de cuivre Circuits imprimés. La conductivité électrique de la plupart des traitements de surface des Circuits imprimés est inférieure à celle du cuivre, ce qui entraîne une diminution de la conductivité composite et une augmentation de la profondeur de l'épiderme. Par exemple, pour le traitement de surface de l'or imprégné de nickel sans électrolyse (enig), la conductivité électrique est un complexe de conducteurs de nickel, d'or et de cuivre. À basse fréquence, la densité de courant est répartie sur les trois conducteurs métalliques. Mais à des fréquences plus élevées, la profondeur de la peau diminue et seuls le nickel et l'or agissent comme conducteurs. À très haute fréquence, seul l'or est un conducteur.

Pour les traitements de surface enig, comme le nickel est magnétique et que sa valeur d'μ est supérieure à celle du cuivre (la valeur d'μ est supérieure à 1), la profondeur de la peau diminue pendant le traitement de surface enig. L'utilisation de ce traitement de surface entraînera l'influence de deux facteurs. La Perméabilité magnétique du nickel diminue la profondeur de la peau, tandis que sa conductivité électrique plus faible augmente la profondeur de la peau. En revanche, l'argent immergé est également utilisé comme traitement de surface final pour les fils de cuivre Circuits imprimés. L'argent est plus conducteur que le cuivre et n'a pas de magnétisme. Par conséquent, lorsque la surface d'argent immergée est utilisée, la profondeur cutanée du conducteur de cuivre sera légèrement réduite. Cependant, des surfaces d'argent immergées très minces sont souvent utilisées, de sorte que l'effet d'un tel traitement de surface peut ne pas être évident à moins qu'il n'y ait des fréquences d'onde millimétrique plus élevées, comme 100 GHz et des fréquences d'onde millimétrique plus élevées.

Skin depth is a circuit characteristic that needs to be considered, Surtout à des fréquences d'ondes millimétriques plus élevées. Bien que la finition finale affecte également les performances du produit Circuits imprimés, the weight/L'épaisseur et le type de conducteur de cuivre affectent les performances RF/microwave circuit as well as the quality of the dielectric material and the quality of the substrate. Feuille de cuivre lisse et mince, such as rolled copper, La profondeur de la peau et la faible perte de conducteur nécessaires pour fournir de bonnes performances à haute fréquence, Ce qui réduit le coût total Circuit Circuits imprimés loss.