PCB Tecnico - La profondità della pelle nel PCB e la sua interazione con il trattamento superficiale finale

La profondità della pelle nel PCB e la sua interazione con il trattamento superficiale finale

La profondità della pelle di solito si riferisce alla profondità del conduttore nel circuito di radiofrequenza RF dove si trova la corrente. Immaginate che osservando la sezione trasversale di un filo circolare, potete vedere dove scorre la corrente attraverso la sezione trasversale. Se la corrente è fornita dalla batteria di corrente continua (DC), la densità di corrente è distribuita uniformemente sulla sezione trasversale del filo e la densità di corrente è la stessa ovunque nell'area del filo.

Se si cambia la sorgente di corrente in corrente alternata sinusoidale, si scopre che la densità di corrente sul bordo esterno del filo è maggiore della densità di corrente al centro del filo. Man mano che la frequenza continua ad aumentare, noterete che in alcuni punti al centro dell'area della sezione trasversale del filo, nessuna corrente scorre e la maggior parte della corrente sarà concentrata sul bordo esterno del conduttore (la superficie esterna del conduttore). Questo è il concetto di base della profondità della pelle.

La seguente formula ci aiuterà a capire quali fattori sono correlati alla profondità della pelle. La semplice definizione di profondità della pelle (ð) è:

ð = (1/(π*f*µ*σ))0.5 (Formula 1)

Tra questi: π è il rapporto di circonferenza, che è una costante fissa, f è la frequenza, μ è la permeabilità magnetica, e σ è la conducibilità elettrica.

Si stima che la maggior parte delle persone sarà un po 'confuso quando vedranno questa formula per la prima volta. Ma in realtà questa formula è facile da capire. Il valore del simbolo "μ" nella formula è correlato alle proprietà magnetiche del metallo, e il valore relativo del rame è di circa 1, quindi la permeabilità magnetica del rame non ha alcun effetto sull'equazione. Il valore del simbolo "σ" nella formula è correlato alla conducibilità del metallo. Il rame è uno dei metalli con la migliore conducibilità (alta conducibilità).

Dalla Formula 1, puoi vedere facilmente la relazione tra profondità della pelle e varie variabili. Ad esempio: man mano che aumenta la frequenza "f" (frequenza più alta), la profondità della pelle "ð" diventerà più piccola. Lo stesso vale: se si utilizza un metallo con una conducibilità inferiore "σ", la profondità della pelle diventerà più grande, cosa che accade quando alcuni tipi di trattamenti superficiali finali vengono applicati al conduttore PCB.

Profondità cutanea e sua interazione con il trattamento superficiale finale

Uno speciale metodo di trattamento superficiale comunemente utilizzato nell'industria è l'oro al nichel chimico (ENIG). L'influenza di ENIG è correlata all'effetto bordo del conduttore. Al bordo del conduttore in cui il conduttore è a contatto con il substrato, ci sarà naturalmente una densità di corrente più elevata e la differenza nella conducibilità del metallo bordo si tradurrà in una differenza nelle prestazioni di radiofrequenza. Secondo la tecnologia di elaborazione ENIG, si presume che a frequenze molto basse dove la profondità della pelle è molto spessa, la conducibilità al bordo del conduttore sia una conducibilità composita composta da rame-nichel-oro. Man mano che la frequenza aumenta, la conducibilità composita sarà determinata dal nichel-oro. A frequenze molto alte, la conducibilità sarà correlata solo allo strato placcato in oro.

Per farvi conoscere la conducibilità di diversi metalli, diamo il valore di diversi metalli comuni (l'unità è 107S/m), rame è 5,8, nichel è 1,5 e oro è 4,5. Infatti, questi valori si applicano solo ai metalli puri. Nei circuiti reali, questi metalli utilizzati per l'elaborazione del PCB sono solitamente leghe e la loro conducibilità sarà leggermente diversa, ma questi sono buoni valori di riferimento. Si può vedere che la conducibilità del nichel è circa 1/4 di quella del rame, quindi questa è anche una spada a doppio taglio per problemi di radiofrequenza. La conduttività inferiore comporterà una maggiore perdita di inserzione e aumenterà anche la profondità della pelle, il che significa che la corrente RF scorre attraverso metallo più lossy.

ENIG ha un altro problema, che è il potenziale problema legato al "magnetismo". La permeabilità relativa (μ) del nichel puro è molto alta, circa 500, ma il nichel utilizzato in ENIG è una lega con un valore di μ inferiore al nichel puro - ma il suo valore è ancora molto grande. Con l'aumentare dell'μ, si può vedere dalla formula della profondità della pelle che la profondità della pelle diminuirà. Questo è un fattore di contrasto per la conducibilità inferiore del nichel. Ci sono anche perdite magnetiche legate al metallo. Il nichel ha perdite magnetiche più elevate del rame. È simile alla perdita relativa al dielettrico. La perdita dielettrica è correlata al fattore di perdita (Df), e la perdita magnetica è simile ad essa, correlata alle proprietà magnetiche del metallo.

Quello che segue è un caso di ingegneria reale relativo a ENIG e profondità della pelle. Un cliente ci ha detto che quando ha testato le prestazioni di più circuiti dello stesso design, ha scoperto che le perdite RF di questi circuiti erano significativamente diverse. Questo è fondamentalmente un cambiamento tra circuiti diversi. I risultati hanno inoltre scoperto che la frequenza di funzionamento di questi circuiti è 800MHz (0,8 GHz), che è una frequenza interessante perché coinvolge la profondità della pelle associata con ENIG.

A questa frequenza, la profondità cutanea del rame è di circa 2,3 micron (circa 92 micropollici), mentre per ENIG, è leggermente più spessa. Colpito da molti fattori, lo strato di nichel di ENIG può variare da 50-250 micropollici. In circostanze normali, i cambiamenti circuito-circuito di ENIG non sono così estremi, ma i cambiamenti normali di spessore del nichel di ENIG variano a causa di molti motivi diversi.

I risultati mostrano che il cambiamento di spessore del nichel ha un certo effetto sul cambiamento della profondità della pelle all'interno dell'intervallo di spessore appropriato, motivo per cui la conducibilità composita di rame, nichel e oro varia con lo spessore del nichel. A questa frequenza di 800MHz, i cambiamenti nello spessore del nichel hanno un impatto significativo sulla profondità della pelle e sulla relativa perdita di inserzione. Tuttavia, se l'applicazione alla frequenza di 24 GHz, la profondità della pelle è di circa 17 micro pollici, il conduttore metallico composito non influenzerà le prestazioni del circuito, perché il metallo composito di ENIG è composto da soli circa 8 micro pollici di oro e il resto Tutti sono nichel. Infine, naturalmente, questo è solo un esempio di ENIG al bordo di un conduttore che influisce sulla perdita di inserimento.