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Análisis del impacto de la profundidad de la piel en diferentes estructuras de PCB de radiofrecuencia
La profundidad de la piel se utiliza generalmente para describir el comportamiento de la corriente que fluye a través del conductor del circuito, especialmente el circuito PCB a la frecuencia RF / microondas. Cuando la corriente continua (dc) pasa por el conductor del circuito pcb, la densidad de corriente en el conductor se distribuye uniformemente. Sin embargo, cuando la corriente sinusoidal de alta frecuencia fluye a través del conductor de pcb, la distribución de la densidad de corriente en el conductor cambiará. En comparación con la superficie del conductor, la densidad de corriente interna será cada vez menor. La profundidad de la piel de todos los conductores indica que la densidad de corriente en la superficie del conductor se reduce a 1 / E de profundidad. la profundidad de la piel es un parámetro importante de la placa de circuito a tener en cuenta al diseñar líneas de transmisión de alta frecuencia o circuitos de radiofrecuencia, y también es un factor a tener en cuenta al modelar circuitos en bandas de radiofrecuencia / microondas para todos los programas de modelado de simulación de circuitos.
La expresión matemática de la profundidad de la piel es: / = (1 / PI f μpi) 0,5
Entre ellos, F es la frecuencia, 188 es la conductividad magnética y Pi es la conductividad eléctrica. Observando esta fórmula, podemos ver que la profundidad de la piel del conductor es inversamente proporcional a la frecuencia. Por lo tanto, la profundidad de la piel en la placa de circuito de alta frecuencia es en realidad un espesor muy pequeño.
Densidad de corriente
En el caso de la corriente continua, el 100% de los conductores se utilizan para transmitir corriente. Todos los conductores conectados a la corriente continua tienen una densidad de corriente distribuida uniformemente en su sección transversal. Sin embargo, para las corrientes que varían en frecuencia sinusoidal, la distribución de la densidad de corriente en el interior del conductor es diferente, y la máscara exterior del conductor tiene una mayor densidad de corriente que la parte interior e intermedia del conductor. Como se muestra en la expresión matemática de la profundidad de la piel: a medida que aumente la frecuencia, la densidad de corriente en la superficie exterior del conductor será cada vez mayor. A una frecuencia muy alta, la densidad de corriente en el interior del conductor es muy pequeña, o incluso no hay densidad de corriente. La mayor parte de la densidad de corriente se concentra en la superficie exterior del conductor. De hecho, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la profundidad de la piel del conductor.
¿Entonces, ¿ cuál es la profundidad real de la piel de los conductores comunes? Tomemos como ejemplo el cobre. La aproximación de la isla es aproximadamente igual a 1, y Pi es aproximadamente 5,8 * 107 S / M. la profundidad de la piel disminuirá a medida que aumente la frecuencia. La profundidad de la piel del cobre fue de 2,95 micras (0116 mils) a 500 mhz, 2,09 micras (0082 mils) a 1 ghz, 0,66 micras (0026 mils) a 10 GHz y 0,30 micras (0012 mils) a 50 ghz, frente a 0,23 micras (0009 mils) a 80 ghz. Obviamente, la mayor parte de la densidad de corriente a la frecuencia de onda milimétrica se encuentra cerca de la superficie del conductor de cobre.
¿Entonces, ¿ cuándo el cobre en el circuito será demasiado delgado para convertirse en un buen conductor? Debido a que el tamaño de la geometría del circuito es una función de la longitud de onda, disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Para los circuitos de radiofrecuencia / microondas de alta frecuencia, especialmente la frecuencia de onda milimétrica, es necesario un estricto control de grabado de los cables de cobre de pcb. Algunas aplicaciones requieren materiales de placas de circuito muy delgados y láminas de cobre, ya que las láminas de cobre más delgadas pueden controlar mejor el grabado de las características del Circuito de pcb, como las líneas de banda y las líneas de transmisión de microstrip. Una cuarta onza (0,25 onzas) de lámina de cobre es de cobre muy delgado, con un espesor estándar de 8,89 micras (0,35 milímetros). En comparación con otros espesores, este delgado conductor de cobre proporciona una profundidad suficiente de la piel para frecuencias muy por debajo y muy por encima de los 500 mhz.
Teniendo en cuenta que la superficie del conductor tiene una alta densidad de corriente a una frecuencia más alta, el factor que puede afectar la profundidad de la piel del conductor en el PCB es la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre en la interfaz sustrato - conductor. Porque a mayor frecuencia, el aumento de la densidad de corriente hacia la superficie exterior del conductor, la superficie del conductor de cobre más áspera, especialmente la rugosidad de la lámina de cobre en la interfaz del conductor del sustrato, aumentará la pérdida del Circuito del conductor.
Además de aumentar la pérdida del conductor, la superficie áspera del conductor de lámina de cobre también reducirá la respuesta de fase y la velocidad de fase del circuito, haciendo que el rendimiento del circuito parezca estar en un sustrato con una constante dieléctrica más alta (dk). Por lo tanto, para el material del sustrato con la misma constante dieléctrica, el DK efectivo de un circuito con una superficie lisa del conductor de lámina de cobre es menor que el de un circuito con una superficie áspera del conductor de cobre. La frecuencia a considerar para la rugosidad de la superficie del conductor de cobre está relacionada con la profundidad de la piel del conductor. Cuando la profundidad de la piel es la misma o más delgada que la rugosidad de la superficie del conductor, la rugosidad de la superficie del conductor afectará el rendimiento del circuito RF / microondas. Por ejemplo, la rugosidad superficial del Cobre electrolítico (ed) suele ser de aproximadamente 2 micras rms, lo que afecta el rendimiento de radiofrecuencia del circuito a una frecuencia de aproximadamente 1 ghz. La rugosidad superficial del cobre laminado es más suave, alrededor de 0,35 micrms, y cuando está por debajo de 40 ghz, no afecta el rendimiento del Circuito de radiofrecuencia / microondas.
Análisis en profundidad
Al diseñar y modelar circuitos de alta frecuencia, la profundidad real de la piel suele ser varias veces mayor que la calculada teóricamente (hasta cinco veces el valor d) para realizar simulaciones significativas. Según la fórmula de cálculo de d, la profundidad de la piel está relacionada con la conductividad eléctrica del conductor. Sin embargo, no solo debemos considerar la conductividad eléctrica del cobre, sino también la conductividad eléctrica de cualquier tratamiento de superficie que proteja el cable de cobre pcb. La mayoría de los tratamientos de superficie de PCB tienen una conductividad eléctrica inferior a la del cobre, lo que resulta en una disminución de la conductividad eléctrica de los materiales compuestos y un aumento de la profundidad de la piel. Por ejemplo, para el tratamiento de la superficie de la inmersión de níquel sin electrodomésticos (enig), la conductividad eléctrica es un compuesto de conductores de níquel, oro y cobre. A frecuencias más bajas, la densidad de corriente se distribuye en los tres conductores metálicos. Pero a mayor frecuencia, la profundidad de la piel disminuye, y solo el níquel y el oro actúan como conductores. A una frecuencia muy alta, solo el oro es el conductor.
Para el tratamiento de la superficie de enig, debido a que el níquel es magnético, su valor aumenta en 188 (por encima de 1) en comparación con el cobre, lo que resulta en una disminución de la profundidad de la piel durante el tratamiento de la superficie de enig. El uso de este tratamiento de superficie dará lugar a la influencia de dos factores. La conductividad magnética del níquel reduce la profundidad de la piel, mientras que su conductividad eléctrica más baja aumenta el espesor de la piel. Por el contrario, el Baptist Silver también se utiliza como el tratamiento final de la superficie del cable de cobre en el pcb. La Plata tiene una mayor conductividad eléctrica que el cobre y no es magnética. Por lo tanto, cuando se utiliza una superficie impregnada de plata, la profundidad de la piel del conductor de cobre se reducirá ligeramente. Sin embargo, se suele utilizar una superficie de plata muy delgada sumergida, por lo que el efecto de este tratamiento superficial puede no ser obvio a menos que se trate de una frecuencia de onda milimétrica más alta, como 100 GHz y una frecuencia de onda milimétrica más alta.
La profundidad de la piel es una característica del circuito a considerar, especialmente a altas frecuencias de ondas milimétricas. Aunque el tratamiento final de la superficie también afectará el rendimiento del pcb, el peso / espesor y el tipo de conductor de cobre afectarán el rendimiento del circuito RF / microondas, así como la calidad del material dieléctrico y la calidad del sustrato. Las láminas de cobre lisas y delgadas, como el cobre laminado, pueden proporcionar la profundidad de la piel y la baja pérdida de conductores necesaria para un buen rendimiento de alta frecuencia, reduciendo así la pérdida general del Circuito de pcb.
