PCB技術 - 異なるRF PCB基板構造に対する表皮深さの影響の解析

異なるRF PCB基板構造に対する表皮深さの影響の解析

皮膚深さは、通常、回路導体12を流れる電流の挙動を記述するために使用される, 特に基板PCB RF回路/マイクロ波周波数.直流電流（DC）がPCBを通過する場合回路導体, 導体の電流密度は均一に分布する. しかし, 高周波正弦波がを通って流れるとき PCB 導体, 導体内部の電流密度分布は変化する.導体の表面に比べて,内部電流密度は小さくなり、小さくなる. 全ての導体の表皮深さは、導体表面の電流密度が1に低下する深さを示す. 深さは、高周波伝送線路またはRF回路を設計する際に考慮する必要がある重要な回路 基板パラメータである, そして、それはまた、すべての回路シミュレーションモデリングソフトウェアがRF/マイクロ波帯.

皮膚深さ度の度合の数学的表現は以下の通りである

ここで、fは周波数である, φ1 / 4は透磁率, また、○○は導電性である. この公式を観察することによって, 我々は、導体の表皮深さが周波数に反比例することを見ることができる. だから皮膚の深さ 高周波回路 基板 実際には非常に小さい厚さです.

電流密度

直流直流の場合、導体の100 %が電流を流すために使用される。直流に接続されたすべての導体は、その断面にわたって一様に電流密度を分布している。しかし、正弦波周波数で電流が変化する場合には、導体内部の電流密度分布が異なり、導体の外面は導体の内、中間部よりも電流密度が大きい。皮膚の深さの数学的表現が示すように、周波数が増加するにつれて、導体の外面上の電流密度は大きくなり、大きくなる。非常に高い周波数では、導体内部の電流密度は非常に小さく、あるいは電流密度もない。電流密度の大部分は導体の外面に集中している。実際、周波数が高いほど、導体の表皮深さは小さくなる。

それでは、一般的な導体の実際の皮膚の深さは何ですか？例として銅を取りましょう。約1／4の近似値は約1／5であり、約0.8×107 S／mである。銅の表皮深さは、500 MHzにおいて2.95×1／4 m（0.116 mm）、1 GHzで2.09×1／4 m（0.082 mm）、10 GHzで0.66〜1，000 m（0.026ミル）、50 GHzで0.30〜1，000 m（0.012ミル）、80 GHzの1／4×m（0.009ミル）で0.23である。明らかに、ミリ波周波数における電流密度の大部分は、銅導体の表面付近にある。

それで、回路の上の銅が、良い導体であるために、あまりに薄すぎるかもしれませんか？回路幾何学の寸法は波長の関数であるので、周波数が高くなるにつれて減少する。高周波数のRF／マイクロ波回路，特にミリ波周波数では，pcb銅線の厳しいエッチング制御が必要である。薄い銅箔がストリップラインおよびマイクロストリップ伝送線のようなPCB回路 基板機能のエッチングをよりよく制御できるので、いくつかの用途は銅箔を有する非常に薄い回路基板材料を必要とする。4分の1オンス（0.25 oz）銅箔は、8.89ミクロン（0.35ミル）の標準的な厚さで、非常に細い銅です。この薄い銅導体は、他の厚さと比較して、500 MHzよりも十分に500 MHzよりも十分に高い周波数に十分な深さを提供する。

導体の表面がより高い周波数でより高い電流密度を有することを考慮すると、基板PCBの導体の表皮深さに影響を与える要因は、基板導体界面における銅箔の表面粗さである。より高い周波数では、電流密度が導体の外面に向かって増加するので、より粗い銅導体表面、特に基板導体界面での銅箔の粗さは、導体回路損失を増加させる。

導体損失を増大させることに加えて、銅箔導体の粗面は、回路の位相応答および位相速度を減少させ、回路の性能を、より高い誘電率（dk）を有する基板上にあるかのように見せる。したがって、同一の誘電率の基板材料に対しては、平滑銅箔導体面を有する回路は、粗い銅導体表面を有する回路よりも効果的である。銅導体の表面粗さのために考慮すべき周波数は、導体の表皮深さに関係する。表皮深さが導体表面粗さまたはシンナーと同じである場合、導体表面粗さは、RF／マイクロ波回路の性能に影響を与える。例えば、電解（ED）銅は、通常、約2×1／4 mのRMSの表面粗さを有し、約1 GHzの周波数での回路のRF性能に影響を及ぼす。圧延された銅は平滑な表面粗さ（約0.35×1／4）であり、40 GHz以下ではRF／マイクロ波回路の性能に影響を与えない。

深さ解析

高周波回路を設計し、モデル化する場合、実際の皮膚深さは、通常、意味のあるシミュレーションを実行するために、理論計算された皮膚深さ（最大値dの5倍）の数倍に決定される。Dの計算式によれば、表皮深さは、導体の導電率に関係する。しかしながら、我々は、PCBの銅線を保護するあらゆる表面処理の電気伝導度を考慮するだけでなく、電気伝導性を考慮すべきである。ほとんどのpcb表面処理の導電率は銅のそれより低く，結果として複合導電率の低下と皮膚深さの増加をもたらす。例えば、無電解ニッケル浸漬金（ENIG）表面処理の場合、導電率はニッケル、金及び銅導体の複合体である。より低い周波数では、電流密度は、3つの金属導体の全てにわたって分布する。しかし、より高い周波数では、皮膚の深さは減少する。非常に高い周波数では、金だけが導体である。

ENIG表面処理法では、ニッケルが磁性であるため、銅に比べて1／4の値が増加し（1／4以上）、ENIG表面処理時の表皮深さが減少する。この表面処理の使用は2つの因子の効果をもたらす。ニッケルの透磁率は皮膚の深さを減少させ、その低い導電率は皮膚の深さを増加させる。対照的に，浸漬銀はpcb上の銅線の最終表面処理としても使用される。銀は銅より伝導率が高く、磁性ではない。したがって、浸漬する銀表面を使用するとき、銅導線の皮膚深さはわずかに減らされる。しかし、通常、非常に薄い浸漬銀表面が使用されるので、100 GHz以上のミリ波周波数のような高いミリ波周波数では、この表面処理の効果は明白ではない。

皮膚の深さは考慮すべき回路特性である, 特に高いミリ波周波数で. 最終的な表面処理はまた PCB, 体重/銅導体の厚さとタイプはRFの性能に影響する/マイクロ波回路及び誘電材料の品質及び基板の品質. 滑らかで薄い銅箔, 圧延銅など, 良好な高周波性能に必要な表皮深さと低導体損失を提供することができる, それによって全体を減らす PCB回路 基板なくなる.