PCB科技 - 趨膚深度對不同RF-PCB結構的影響分析

趨膚深度對不同RF-印刷電路板結構的影響分析

趨膚深度通常用於描述流過電路導體的電流行為, 尤其地 印刷電路板 射頻電路/微波頻率. When direct current (DC) passes through the 印刷電路板 電路導體, 導體中的電流密度均勻分佈. 然而, 當高頻正弦電流流過 印刷電路板 導體, 導體內部的電流密度分佈將發生變化. 與導體表面相比, 內部電流密度將變得越來越小. 所有導體的趨膚深度表示導體表面上的電流密度降至1的深度/e. 趨膚深度是設計高頻傳輸線或射頻電路時需要考慮的一個重要電路板參數, 這也是所有電路模擬建模軟件在對射頻電路進行建模時需要考慮的一個因素/微波頻段.

表皮深度ð的數學運算式為：ð=（1/fÏσ）0.5

其中f是頻率, m是磁導率, σ是電導率. 通過觀察這個公式, 我們可以看到導體的趨膚深度與頻率成反比. 所以皮膚深度 高頻電路板 實際上厚度很小.

電流密度，電流密度

在直流電的情况下，100%的導體用於傳輸電流。 所有連接到直流電的導體在其橫截面上具有均勻分佈的電流密度。 然而，對於正弦頻率變化的電流，導體內部的電流密度分佈不同，導體外表面的電流密度大於導體內部和中部的電流密度。 正如趨膚深度的數學運算式所示：隨著頻率的新增，導體外表面上的電流密度將變得越來越大。 在非常高的頻率下，導體內部的電流密度非常小，甚至沒有電流密度。 大部分電流密度集中在導體的外表面。 事實上，頻率越高，導體的趨膚深度越小。

那麼，普通導體的實際表皮深度是多少？ 讓我們以銅為例。 m的近似值約等於1，σ約為5.8*107 S/m。表皮深度將隨著頻率的新增而减小。 銅的表皮深度在500MHz時為2.95mm（0.116mils），1GHz時為2.09mm（0.082mils），10GHz時為0.66mm（0.026mils），50GHz時為0.30mm（0.012mils），80GHz時為0.23mm（0.009mils）。 顯然，毫米波頻率下的大多數電流密度位於銅導體表面附近。

那麼，什麼時候電路上的銅可能太薄而不能成為良導體呢？ 由於電路幾何尺寸是波長的函數，囙此它會隨著頻率的新增而减小。 對於高頻射頻/微波電路，尤其是在毫米波頻率下，需要對印刷電路板銅線進行嚴格的蝕刻控制。 一些應用需要非常薄的電路板資料和銅箔，因為較薄的銅箔可以更好地控制印刷電路板電路特徵的蝕刻，例如帶狀線和微帶傳輸線。 四分之一盎司（0.25oz）銅箔是非常薄的銅箔，標準厚度為8.89微米（0.35mils）。 與其他厚度相比，這種薄銅導體為遠低於500 MHz和遠高於500 MHz的頻率提供了足够的集膚深度。

考慮到導體表面在較高頻率下具有較高的電流密度，可能影響印刷電路板中導體趨膚深度的因素是基板-導體介面處銅箔的表面粗糙度。 因為在更高的頻率下，電流密度朝著導體的外表面新增，所以更粗糙的銅導體表面，尤其是基板-導體介面處銅箔的粗糙度，將新增導體電路損耗。

除了新增導體損耗外，銅箔導體的粗糙表面還將降低電路的相位響應和相速度，使電路的效能看起來就像在具有更高介電常數（Dk）的基板上一樣。 囙此，對於相同介電常數的基板資料，具有光滑銅箔導體表面的電路具有比具有粗糙銅箔導體表面的電路更低的有效Dk。 銅導體表面粗糙度應考慮的頻率與導體的表皮深度有關。 當趨膚深度與導體表面粗糙度相同或更薄時，導體表面粗糙度將對射頻/微波電路的效能產生影響。 例如，電解（ED）銅通常具有約2mm RMS的表面粗糙度，並且將在約1 GHz的頻率下影響電路的射頻效能。 軋製銅具有更平滑的表面粗糙度，約為0.35mmRMS，當其小於40GHz時，不會影響射頻/微波電路的效能。

深入分析

在設計和建模高頻電路時，實際趨膚深度通常是理論計算趨膚深度的幾倍（高達D值的5倍），以便進行有意義的模擬。 根據D的計算公式，集膚深度與導體的電導率有關。 然而，我們不僅要考慮銅的導電性，還要考慮保護印刷電路板銅線的任何表面處理的導電性。 大多數印刷電路板表面處理的電導率低於銅的電導率，導致複合電導率降低，表皮深度新增。 例如，對於化學鍍鎳浸金（ENIG）表面處理，導電性是鎳、金和銅導體的複合物。 在較低頻率下，電流密度分佈在所有3個金屬導體上。 但在較高的頻率下，趨膚深度减小，只有鎳和金起到導體的作用。 在非常高的頻率下，只有金是導體。

對於ENIG表面處理方法，由於鎳具有磁性，其m值比銅高（m值大於1），導致在ENIG表面處理期間表皮深度减少。 使用這種表面處理將導致兩個因素的影響。 鎳的磁導率降低了趨膚深度，而其較低的電導率新增了趨膚深度。 相比之下，浸沒銀也被用作印刷電路板銅線的最終表面處理。 銀的導電性比銅高，不具有磁性。 囙此，當使用浸沒銀表面時，銅導體的趨膚深度將略有减少。 然而，通常使用非常薄的浸沒銀表面，囙此除非在更高的毫米波頻率下，例如100 GHz和更高的毫米波頻率，否則該表面處理的效果可能不明顯。

趨膚深度是需要考慮的電路特性, 尤其是在更高的毫米波頻率下. 雖然最終的表面處理也會影響 印刷電路板, 重量/銅導體的厚度和類型將影響RF的效能/微波電路以及電介質資料和基板的質量. 光滑薄銅箔, 如軋製銅, 可提供良好高頻效能所需的集膚深度和低導體損耗, 從而减少 印刷電路板電路 loss.