Leiterplattentechnisch - Analyse des Effekts der Hauttiefe auf verschiedene HF-Leiterplattenstrukturen

Analyse des Effekts der Hauttiefe auf verschiedene HF-Leiterplattenstrukturen

Hauttiefe wird normalerweise verwendet, um das Verhalten von Strom zu beschreiben, der durch Leiterbahnen fließt, insbesondere Leiterplatten-Schaltungen bei HF/Mikrowellenfrequenzen. Wenn Gleichstrom (DC) durch den Leiterplattenschaltleiter fließt, wird die Stromdichte im Leiter gleichmäßig verteilt. Wenn jedoch ein hochfrequenter sinusförmiger Strom durch einen Leiterplattenleiter fließt, ändert sich die Stromdichteverteilung innerhalb des Leiters. Im Vergleich zur Oberfläche des Leiters wird die interne Stromdichte immer kleiner. Die Hauttiefe aller Leiter gibt die Tiefe an, bei der die Stromdichte auf der Leiteroberfläche auf 1/e sinkt. Die Hauttiefe ist ein wichtiger Leiterplattenparameter, der beim Entwurf von Hochfrequenz-Übertragungsleitungen oder HF-Schaltungen berücksichtigt werden muss, und es ist auch ein Faktor, den alle Schaltungssimulationsmodellsoftware bei der Modellierung von Schaltungen im HF-/Mikrowellenfrequenzband berücksichtigen muss.

Der mathematische Ausdruck der Hauttiefe ð ist: ð = (1/πfµσ)0.5

Wo f die Frequenz ist, ist μ die magnetische Permeabilität und σ die elektrische Leitfähigkeit. Wenn wir diese Formel beobachten, können wir sehen, dass die Hauttiefe des Leiters umgekehrt proportional zur Frequenz ist. So ist die Hauttiefe in Hochfrequenz-Leiterplatten eigentlich eine sehr geringe Dicke.

Stromdichte

Bei Gleichstrom werden 100% der Leiter zur Stromübertragung verwendet. Alle an Gleichstrom angeschlossenen Leiter weisen eine gleichmäßige Stromdichte über ihre Querschnitte auf. Für den Strom, der sich mit einer sinusförmigen Frequenz ändert, ist die Stromdichteverteilung innerhalb des Leiters jedoch unterschiedlich, und die äußere Oberfläche des Leiters hat eine größere Stromdichte als die inneren und mittleren Teile des Leiters. Wie der mathematische Ausdruck der Hauttiefe zeigt: Mit zunehmender Frequenz wird die Stromdichte auf der Außenfläche des Leiters größer und größer. Bei sehr hohen Frequenzen ist die Stromdichte im Inneren des Leiters sehr gering oder gar keine Stromdichte. Der größte Teil der Stromdichte konzentriert sich auf die äußere Oberfläche des Leiters. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Hauttiefe des Leiters.

Wie hoch ist also die tatsächliche Hauttiefe gängiger Leiter? Nehmen wir Kupfer als Beispiel. Der ungefähre Wert von μ ist ungefähr gleich 1, und σ beträgt etwa 5,8 und 107 S/m. Die Hauttiefe nimmt mit zunehmender Frequenz ab. Die Hauttiefe von Kupfer ist 2.95μm (0.116mils) bei 500MHz, 2.09μm (0.082mils) bei 1GHz, 0.66μm (0.026mils) bei 10GHz, 0.30μm (0.012mils) bei 50GHz und 0.23 bei 80GHz μm (0.009mils). Offensichtlich befindet sich der größte Teil der Stromdichte bei Millimeterwellenfrequenzen nahe der Oberfläche des Kupferleiters.

Wann könnte das Kupfer auf der Schaltung zu dünn sein, um ein guter Leiter zu sein? Da die Größe der Schaltungsgeometrie eine Funktion der Wellenlänge ist, nimmt sie mit zunehmender Frequenz ab. Für Hochfrequenz-HF-/Mikrowellenschaltungen, insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen, ist eine strenge Ätzkontrolle von Leiterplatten-Kupferdrähten erforderlich. Einige Anwendungen erfordern sehr dünne Leiterplattenmaterialien mit Kupferfolie, da dünnere Kupferfolie das Ätzen von Leiterplattenmerkmalen, wie Streifenleitungen und Microstrip-Übertragungsleitungen, besser steuern kann. Ein Viertel Unze (0,25oz) Kupferfolie ist sehr dünnes Kupfer, mit einer Standardstärke von 8,89 Mikrons (0,35mils). Im Vergleich zu anderen Dicken bietet dieser dünne Kupferleiter ausreichend Hauttiefe für Frequenzen weit unter 500 MHz und weit über 500 MHz.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Oberfläche des Leiters eine höhere Stromdichte bei höheren Frequenzen aufweist, ist der Faktor, der die Hauttiefe des Leiters in der Leiterplatte beeinflussen kann, die Oberflächenrauheit der Kupferfolie an der Substrat-Leiter-Schnittstelle. Da bei höheren Frequenzen die Stromdichte zur Außenfläche des Leiters ansteigt, erhöht die rauere Kupferleiteroberfläche, insbesondere die Rauheit der Kupferfolie an der Substrat-Leiter-Schnittstelle, den Leiterkreisverlust.

Neben der Erhöhung des Leiterverlustes verringert die raue Oberfläche des Kupferfolienleiters auch das Phasenverhalten und die Phasengeschwindigkeit des Schaltkreises, wodurch die Leistung der Schaltung so aussieht, als ob sie sich auf einem Substrat mit einer höheren dielektrischen Konstante (Dk) befindet. Daher hat eine Schaltung mit einer glatten Kupferfolienleiteroberfläche für das Substratmaterial derselben Dielektrizitätskonstante einen niedrigeren effektiven Dk als eine Schaltung mit einer rauen Kupferleiteroberfläche. Die Frequenz, die für die Oberflächenrauheit von Kupferleitern berücksichtigt werden sollte, hängt von der Hauttiefe des Leiters ab. Wenn die Hauttiefe mit der Leiteroberflächenrauhigkeit oder dünner identisch ist, hat die Leiteroberflächenrauhigkeit einen Einfluss auf die Leistung der HF-/Mikrowellenschaltung. Zum Beispiel hat elektrolytisches Kupfer normalerweise eine Oberflächenrauheit von etwa 2 μm RMS und beeinflusst die HF-Leistung der Schaltung bei einer Frequenz von etwa 1 GHz. Walztes Kupfer hat eine glattere Oberflächenrauheit, etwa 0.35μ¼mRMS, die die Leistung von HF/Mikrowellenschaltungen nicht beeinträchtigt, wenn es weniger als 40GHz ist.

Vertiefende Analyse

Bei der Auslegung und Modellierung von Hochfrequenzschaltungen wird in der Regel die tatsächliche Hauttiefe mehrfach der theoretisch berechneten Hauttiefe (bis zum 5-fachen des Wertes D) ermittelt, um aussagekräftige Simulationen durchzuführen. Nach der Berechnungsformel von D hängt die Hauttiefe mit der Leitfähigkeit des Leiters zusammen. Wir sollten jedoch nicht nur die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer berücksichtigen, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit jeder Oberflächenbehandlung, die die Kupferdrähte der Leiterplatte schützt. Die Leitfähigkeit der meisten PCB-Oberflächenbehandlungen ist niedriger als die von Kupfer, was zu einer Abnahme der Verbundleitfähigkeit und einer Zunahme der Hauttiefe führt. Zum Beispiel für die elektrolose Nickel Immersion Gold (ENIG) Oberflächenbehandlung ist die Leitfähigkeit ein Verbund aus Nickel-, Gold- und Kupferleitern. Bei niedrigeren Frequenzen wird die Stromdichte auf alle drei Metallleiter verteilt. Aber bei höheren Frequenzen nimmt die Hauttiefe ab, und nur Nickel und Gold spielen die Rolle der Leiter. Bei sehr hohen Frequenzen ist nur Gold der Leiter.

Da Nickel magnetisch ist, erhöht sich bei der ENIG-Oberflächenbehandlung sein μ-Wert im Vergleich zu Kupfer (der μ-Wert ist höher als 1), was zu einer Abnahme der Hauttiefe während der ENIG-Oberflächenbehandlung führt. Die Anwendung dieser Oberflächenbehandlung hat die Wirkung von zwei Faktoren. Die magnetische Permeabilität von Nickel reduziert die Hauttiefe, während seine niedrigere Leitfähigkeit die Hauttiefe erhöht. Im Gegensatz dazu wird Immersionssilber auch als abschließende Oberflächenbehandlung von Kupferdrähten auf der Leiterplatte verwendet. Silber hat eine höhere Leitfähigkeit als Kupfer und ist nicht magnetisch. Daher wird die Hauttiefe von Kupferleitern bei Verwendung der Tauchsilberoberfläche leicht reduziert. Allerdings werden in der Regel sehr dünne Immersionssilberflächen verwendet, so dass der Effekt dieser Oberflächenbehandlung möglicherweise nicht offensichtlich ist, außer bei höheren Millimeterwellenfrequenzen, wie 100 GHz und höheren Millimeterwellenfrequenzen.

Hauttiefe ist eine Schaltungseigenschaft, die besonders bei höheren Millimeterwellenfrequenzen berücksichtigt werden muss. Obwohl die endgültige Oberflächenbehandlung auch die Leistung der Leiterplatte beeinflusst, beeinflussen Gewicht/Dicke und Typ des Kupferleiters die Leistung des HF/Mikrowellenschalts sowie die Qualität des dielektrischen Materials und die Qualität des Substrats. Glatte und dünne Kupferfolie, wie gewalztes Kupfer, kann die Hauttiefe und den niedrigen Leiterverlust liefern, die für eine gute Hochfrequenzleistung erforderlich sind, wodurch der Gesamtverlust der Leiterplattenschaltung reduziert wird.