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Analyse de l'impact de la profondeur de la peau sur différentes structures de PCB RF
La profondeur de chimiotaxie est généralement utilisée pour décrire le comportement du courant circulant à travers les conducteurs de circuits électriques, en particulier les circuits PCB aux fréquences RF / micro - ondes. Lorsque le courant continu (DC) traverse un conducteur de circuit PCB, la densité de courant dans le conducteur est répartie uniformément. Cependant, lorsque des courants sinusoïdaux à haute fréquence circulent à travers un conducteur PCB, la distribution de densité de courant à l'intérieur du conducteur change. La densité de courant interne deviendra de plus en plus faible par rapport à la surface du conducteur. 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 de la peau est un paramètre important de la carte à prendre en compte lors de la conception de lignes de transmission à haute fréquence ou de circuits RF, ainsi que tous les logiciels de modélisation de simulation de circuits à prendre en compte lors de la modélisation de circuits dans la bande RF / micro - ondes.
L'expression mathématique de la profondeur de la peau est: = (1 / ÍfµÍ;) 0,5
Où F est la fréquence, ¼ est la Perméabilité magnétique et Í est la conductivité électrique. En regardant cette formule, nous pouvons voir que la profondeur de la peau du conducteur est inversement proportionnelle à la fréquence. Donc, la profondeur de la peau dans la carte haute fréquence est en fait une très petite épaisseur.
Densité de courant
Dans le cas du courant continu, 100% des conducteurs sont utilisés pour transporter le courant. Tous les conducteurs connectés au courant continu ont une densité de courant uniformément répartie sur leur section transversale. Cependant, pour un courant variant à une fréquence sinusoïdale, la répartition de la densité de courant à l'intérieur du conducteur est différente et la surface extérieure du conducteur présente une densité de courant supérieure à celle des Parties interne et intermédiaire du conducteur. Comme le montre l'expression mathématique de la profondeur de la peau: à mesure que la fréquence augmente, 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 majeure partie de la densité de courant est concentrée sur la surface extérieure du conducteur. En effet, plus la fréquence est élevée, moins la profondeur de la peau du conducteur est importante.
Alors, quelle est la profondeur réelle de la peau des conducteurs communs? Prenons le cuivre comme exemple. La valeur approximative de l'île est d'environ 1 et Í est d'environ 5,8 * 107s / m. La profondeur de la peau diminue avec l'augmentation de la fréquence. Les profondeurs cutanées du cuivre sont de 2,95 μm (0116 mil) à 500 MHz, de 2,09 μm (0082 mil) à 1 GHz, de 0,66 μm (0026 mil) à 10 GHz, de 0,30 μm (0012 mil) à 50 GHz et de 0,23 μm (0012 mil) à 80 GHz. Il est clair que la majeure partie de la densité de courant à la fréquence des ondes millimétriques se trouve près de la surface du conducteur en cuivre.
Alors, quand le cuivre sur un circuit sera - t - il trop mince pour être un bon conducteur? La taille de la géométrie du circuit étant fonction de la longueur d'onde, elle diminue avec l'augmentation de la fréquence. Pour les circuits RF / micro - ondes haute fréquence, en particulier aux fréquences millimétriques, il est nécessaire de contrôler strictement la gravure des fils de cuivre PCB. Certaines applications nécessitent des matériaux de carte de circuit très minces avec des feuilles de cuivre, car des feuilles de cuivre plus minces permettent un meilleur contrôle de la gravure des caractéristiques des circuits PCB, telles que les lignes à ruban et les lignes de transmission microruban. Une feuille de cuivre d'un quart d'once (0,25 oz) est du cuivre très mince, d'une épaisseur standard de 8,89 microns (0,35 mil). Comparé à d'autres épaisseurs, ce conducteur de cuivre mince offre une profondeur de peau suffisante pour les fréquences bien inférieures à 500 MHz et bien supérieures à 500 MHz.
Étant donné que la surface du conducteur a une densité de courant plus élevée à des fréquences plus élevées, le facteur qui peut affecter la profondeur de la peau du conducteur dans le PCB est la rugosité de surface de la Feuille de cuivre à l'interface substrat - conducteur. Parce qu'à des fréquences plus élevées, la densité de courant augmente vers la surface extérieure du conducteur, une surface de conducteur en cuivre plus rugueuse, en particulier la rugosité de la Feuille de cuivre à l'interface substrat - conducteur, augmentera les pertes du circuit conducteur.
En plus d'augmenter les pertes de conducteurs, la surface rugueuse des conducteurs en feuille de cuivre réduit la réponse en phase et la vitesse de phase du circuit, ce qui donne l'impression que les performances du circuit sont sur un substrat avec une constante diélectrique (DK) plus élevée. Ainsi, pour un matériau de substrat de même constante diélectrique, un circuit à surface conductrice lisse en feuille de cuivre présente un DK efficace inférieur à celui d'un circuit à surface conductrice rugueuse en cuivre. La fréquence à laquelle la rugosité de surface du conducteur de cuivre doit être prise en compte est liée à la profondeur de la chimiotaxie du conducteur. Lorsque la profondeur de la peau est égale ou plus fine que la rugosité de la surface du conducteur, la rugosité de la surface du conducteur aura un impact sur les performances du circuit RF / micro - ondes. Par example, le cuivre électrolytique (ed) présente généralement une rugosité de surface de l'ordre de 2 µm RMS et affecte les performances RF du circuit à une fréquence de l'ordre de 1 GHz. Le cuivre laminé présente une rugosité de surface plus lisse, de l'ordre de 0,35 µmrms, qui n'affecte pas les performances du circuit RF / micro - ondes lorsqu'il est inférieur à 40 GHz.
Analyse approfondie
Lors de la conception et de la modélisation de circuits haute fréquence, la profondeur réelle de la chimiotaxie est généralement plusieurs fois supérieure à celle calculée théoriquement (jusqu'à 5 fois la valeur de d) pour effectuer des simulations significatives. Selon la formule de calcul de D, la profondeur de la chimiotaxie est liée à la conductivité électrique du conducteur. Cependant, nous devrions considérer non seulement la conductivité du cuivre, mais aussi la conductivité de tout traitement de surface qui protège le fil de cuivre PCB. La plupart des traitements de surface PCB ont une conductivité inférieure à celle du cuivre, ce qui entraîne une conductivité Composite réduite et une augmentation de la profondeur de la chimiotaxie. Par exemple, pour un traitement de surface nickelé par immersion d'or (enig), la conductivité est un complexe de conducteurs de nickel, d'or et de cuivre. Aux fréquences inférieures, la densité de courant est répartie sur les trois conducteurs métalliques. Mais à des fréquences plus élevées, la peau devient moins profonde et seuls le nickel et l'or jouent le rôle de conducteurs. À très haute fréquence, seul l'or est conducteur.
Pour la méthode de traitement de surface enig, le nickel étant magnétique, sa valeur d'îlot augmente par rapport au cuivre (valeur d'îlot supérieure à 1), ce qui entraîne une diminution de la profondeur de la chimiotaxie pendant le traitement de surface enig. L'utilisation de ce traitement de surface a l'influence de deux facteurs. La Perméabilité magnétique du nickel réduit la profondeur de la peau, tandis que sa conductivité électrique inférieure augmente l'épaisseur de la peau. En revanche, l'argent imprégné est également utilisé comme traitement de surface final pour les fils de cuivre sur les PCB. L'argent est plus conducteur que le cuivre et n'a pas de propriétés magnétiques. Ainsi, lors de l'utilisation d'une surface imprégnée d'argent, la profondeur de chimiotaxie du conducteur de cuivre sera légèrement réduite. Cependant, on utilise généralement des surfaces en argent imprégné très minces, de sorte que l'effet d'un tel traitement de surface peut ne pas être perceptible, sauf à des fréquences d'ondes millimétriques plus élevées, par example 100 GHz et des fréquences d'ondes millimétriques plus élevées.
La profondeur de la peau est une propriété du circuit à prendre en compte, en particulier à des fréquences d'ondes millimétriques plus élevées. Bien que le traitement de surface final affecte également les performances du PCB, le poids / épaisseur et le type de conducteur en cuivre affectent les performances du circuit RF / micro - ondes, ainsi que la qualité du matériau diélectrique et la qualité du substrat. Les feuilles de cuivre lisses et minces, telles que le cuivre laminé, peuvent fournir la profondeur de chimiotaxie et les faibles pertes de conducteurs requises pour de bonnes performances à haute fréquence, réduisant ainsi les pertes globales du circuit PCB.
