Leiterplattentechnisch - Die Hauttiefe in PCB und ihre Wechselwirkung mit der abschließenden Oberflächenbehandlung

Die Hauttiefe in PCB und ihre Wechselwirkung mit der abschließenden Oberflächenbehandlung

Hauttiefe bezieht sich normalerweise auf die Tiefe des Leiters in der Hochfrequenz-HF-Leiterplatte, in der sich der Strom befindet. Stellen Sie sich vor, wenn Sie den Querschnitt eines kreisförmigen Drahtes beobachten, können Sie sehen, wo Strom durch den Querschnitt fließt. Wenn der Strom von der Batterie des Gleichstroms (DC) bereitgestellt wird, wird die Stromdichte gleichmäßig über den Querschnitt des Drahtes verteilt, und die Stromdichte ist überall im Drahtbereich gleich.

Wenn Sie die Stromquelle auf sinusförmigen Wechselstrom umstellen, werden Sie feststellen, dass die Stromdichte am äußeren Rand des Drahtes größer ist als die Stromdichte in der Mitte des Drahtes. Wenn die Frequenz weiter zunimmt, werden Sie feststellen, dass an einigen Punkten in der Mitte der Querschnittsfläche des Drahtes kein Strom fließt und der größte Teil des Stroms auf der äußeren Kante des Leiters (der äußeren Oberfläche des Leiters) konzentriert wird. Dies ist das Grundkonzept der Hauttiefe.

Die folgende Formel hilft uns zu verstehen, welche Faktoren mit der Hauttiefe zusammenhängen. Die einfache Definition von Hauttiefe (ð) ist:

ð = (1/(π*f*µ*σ))0.5 (Formel 1)

Unter ihnen: π ist das Umfangsverhältnis, das eine feste Konstante ist, f ist die Frequenz, μ ist die magnetische Permeabilität und σ ist die elektrische Leitfähigkeit.

Es wird geschätzt, dass die meisten Menschen ein wenig verwirrt sein werden, wenn sie diese Formel zum ersten Mal sehen. Aber in der Tat ist diese Formel leicht zu verstehen. Der Wert des Symbols "μ" in der Formel hängt mit den magnetischen Eigenschaften des Metalls zusammen, und der relative Wert von Kupfer ist etwa 1, so dass die magnetische Permeabilität von Kupfer keinen Einfluss auf die Gleichung hat. Der Wert des Symbols "σ" in der Formel hängt mit der Leitfähigkeit des Metalls zusammen. Kupfer ist eines der Metalle mit der besten Leitfähigkeit (hohe Leitfähigkeit).

Aus der Formel 1 können Sie leicht den Zusammenhang zwischen Hauttiefe und verschiedenen Variablen sehen. Zum Beispiel: Wenn die Frequenz "f" ansteigt (höhere Frequenz), wird die Hauttiefe "ð" kleiner. Dasselbe gilt: Wenn Sie ein Metall mit einer geringeren Leitfähigkeit "σ" verwenden, wird die Hauttiefe größer, was passiert, wenn bestimmte Arten von Endoberflächenbehandlungen auf den Leiterplattenleiter angewendet werden.

Hauttiefe und ihre Wechselwirkung mit der abschließenden Oberflächenbehandlung

Eine spezielle Oberflächenbehandlung, die in der Industrie häufig verwendet wird, ist chemisches Nickelgold (ENIG). Der Einfluss von ENIG hängt mit dem Kanteneffekt des Leiters zusammen. An der Kante des Leiters, an der der Leiter mit dem Substrat in Kontakt ist, wird es natürlich eine höhere Stromdichte geben, und der Unterschied in der Leitfähigkeit des Kantenmetalls führt zu einem Unterschied in der Hochfrequenzleistung. Unter ENIG's Verarbeitungstechnologie wird angenommen, dass bei sehr niedrigen Frequenzen, bei denen die Hauttiefe sehr dick ist, die Leitfähigkeit am Rand des Leiters eine Verbundleitfähigkeit ist, die aus Kupfer-Nickel-Gold besteht. Mit zunehmender Frequenz wird die Verbundleitfähigkeit durch Nickel-Gold bestimmt. Bei sehr hohen Frequenzen hängt die Leitfähigkeit nur mit der vergoldeten Schicht zusammen.

Um Ihnen die Leitfähigkeit verschiedener Metalle mitzuteilen, geben wir den Wert mehrerer gängiger Metalle (Einheit ist 107S/m), Kupfer ist 5,8, Nickel ist 1,5 und Gold ist 4,5. Tatsächlich gelten diese Werte nur für reine Metalle. In tatsächlichen Schaltkreisen sind diese Metalle, die für die PCB-Verarbeitung verwendet werden, normalerweise Legierungen, und ihre Leitfähigkeit wird etwas anders sein, aber dies sind gute Referenzwerte. Es kann gesehen werden, dass die Leitfähigkeit von Nickel etwa 1/4 von der von Kupfer beträgt, so dass dies auch ein zweischneidiges Schwert für Hochfrequenzprobleme ist. Eine niedrigere Leitfähigkeit führt zu einem größeren Einführungsverlust und erhöht auch die Hauttiefe, was bedeutet, dass der HF-Strom durch verlustfreieres Metall fließt.

ENIG hat ein weiteres Problem, nämlich das potenzielle Problem im Zusammenhang mit dem "Magnetismus". Die relative Permeabilität (μ) von reinem Nickel ist sehr hoch, etwa 500, aber das in ENIG verwendete Nickel ist eine Legierung mit einem niedrigeren μ Wert als reines Nickel, aber sein Wert ist immer noch sehr groß. Wenn μ zunimmt, kann man an der Hauttiefenformel erkennen, dass die Hauttiefe abnehmen wird. Dies wirkt der geringeren Leitfähigkeit von Nickel entgegen. Es gibt auch metallbedingte magnetische Verluste. Nickel hat höhere magnetische Verluste als Kupfer. Es ist ähnlich dem Verlust im Zusammenhang mit dem Dielektrikum. Der dielektrische Verlust hängt mit dem Verlustfaktor (Df) zusammen, und der magnetische Verlust ist ihm ähnlich, bezogen auf die magnetischen Eigenschaften des Metalls.

Das Folgende ist ein tatsächlicher technischer Fall bezogen auf ENIG und Hauttiefe. Ein Kunde erzählte uns, dass bei der Prüfung der Leistung mehrerer Leiterplatten desselben Designs festgestellt wurde, dass die HF-Verluste dieser Schaltungen signifikant unterschiedlich waren. Dies ist im Grunde ein Wechsel zwischen verschiedenen Schaltungen. Die Ergebnisse fanden weiter heraus, dass die Betriebsfrequenz dieser Schaltkreise 800MHz (0,8 GHz) beträgt, was eine interessante Frequenz ist, da sie die Hauttiefe mit ENIG assoziiert.

Bei dieser Frequenz beträgt die Hauttiefe von Kupfer etwa 2,3 Mikrons (etwa 92 Mikroinch), während es für ENIG etwas dicker ist. Beeinflusst von vielen Faktoren, kann die Nickelschicht von ENIG von 50-250 Mikroinches reichen. Unter normalen Umständen sind ENIG's Schaltkreis-zu-Schaltkreis-Änderungen nicht so extrem, aber die normalen Nickel-Dicken-Änderungen von ENIG werden aus vielen verschiedenen Gründen variieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Dickenänderung von Nickel einen bestimmten Einfluss auf die Hauttiefenänderung innerhalb des entsprechenden Dickenbereichs hat, weshalb die Verbundleitfähigkeit von Kupfer, Nickel und Gold mit der Dicke von Nickel variiert. Bei dieser Frequenz von 800MHz haben Änderungen der Nickeldicke einen signifikanten Einfluss auf die Hauttiefe und den damit verbundenen Einführungsverlust. Wenn die Anwendung mit der Frequenz von 24 GHz jedoch etwa 17-Mikro-Zoll beträgt, beeinflusst der Verbundmetallleiter die Leistung der Schaltung nicht, da das Verbundmetall von ENIG nur aus etwa 8-Mikro-Zoll Gold besteht, und der Rest Alle sind Nickel. Schließlich ist dies natürlich nur ein Beispiel für ENIG an der Kante eines Leiters, die Einfügedämpfung beeinflusst.