PCB 기술 - PCB의 피부 깊이 및 최종 표면 처리와의 상호 작용

PCB의 피부 깊이 및 최종 표면 처리와의 상호 작용

피부 깊이는 일반적으로 전류가 있는 무선 주파수 회로 기판의 도체의 깊이를 가리킨다.원형 도선의 횡단면을 관찰하면 횡단면에서 전류가 흐르는 위치를 볼 수 있다고 상상해 보세요.전류가 DC(직류) 배터리에서 공급되는 경우 전류 밀도는 컨덕터의 횡단면에 균일하게 분포되며 컨덕터 영역의 어느 곳에서나 전류 밀도가 동일합니다.

전류원을 정현 교류로 변경하면 도선 외연의 전류 밀도가 도선 중간의 전류 밀도보다 크다는 것을 알 수 있다.주파수가 계속 증가함에 따라, 당신은 도선의 횡단 면적 중간의 일부 점에서 전류의 흐름이 없고, 대부분의 전류는 도선의 바깥쪽 가장자리 (도선의 바깥쪽) 에 집중된다는 것을 알게 될 것이다.이것은 피부 깊이의 기본 개념이다.

다음 공식은 피부 깊이와 관련된 요인을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.스킨 깊이 (°) 의 간단한 정의는 다음과 같습니다.

° = (1/(Í*f*µ*) 0.5(공식 1)

그중: Í은 둘레의 길이비이다. 이것은 고정된 상수이다. f는 주파수이고 ࠂ은 자기전도율이며 ࠉ는 전도율이다.

대부분의 사람들은 이 공식을 처음 봤을 때 약간 의심스러울 것이다.그러나 사실 이 공식은 이해하기 쉽다.공식에서 기호 "Isla"의 값은 금속의 자성과 관련이 있지만 구리의 상대 값은 약 1이므로 구리의 자기 전도도는 방정식에 영향을 미치지 않습니다.공식에서 기호 Í의 값은 금속의 전도성과 관련이 있습니다.구리는 최상의 전도성 (고전도성) 을 가진 금속 중의 하나이다.

공식 1에서는 피부 깊이와 다양한 변수 간의 관계를 쉽게 볼 수 있습니다.예를 들어, 주파수 "f"가 증가할수록 (주파수가 높을수록) 피부 깊이"°"가 작아집니다.같은 상황도 마찬가지이다. 만약 당신이 전도도가 낮은 금속"담"을 사용한다면 피부깊이가 더욱 커지게 되는데 이것이 바로 PCB 도체를 일부 류형의 최종표면처리를 할 때 발생하는 상황이다.

표피 깊이 및 최종 표면 처리와의 상호 작용

산업에서 일반적으로 사용되는 특수 표면 처리 방법 중 하나는 화학 니켈 골드 (ENIG)입니다.ENIG의 영향은 컨덕터의 가장자리 효과와 관련이 있습니다.도체와 안감이 접촉하는 도체의 가장자리에서는 자연히 더욱 높은 전류밀도가 있게 되며 가장자리금속의 전도성의 차이는 무선주파수성능의 차이를 초래하게 된다.ENIG의 처리 기술에 따르면 피부 깊이가 매우 두꺼운 매우 낮은 주파수에서 도체 가장자리의 전도성은 구리 니켈 금으로 구성된 복합 전도성이라고 가정합니다.주파수가 증가함에 따라 복합재료의 전도율은 니켈금에 의해 결정된다.매우 높은 주파수에서 전도성은 도금층과만 관계가 있다.

서로 다른 금속의 전도성을 이해하기 위해 우리는 구리 5.8, 니켈 1.5, 금 4.5의 몇 가지 일반적인 금속 값 (107S/m) 을 제공합니다.실제로 이러한 수치는 순수 금속에만 적용됩니다.실제 회로에서 PCB 가공에 사용되는 이러한 금속은 일반적으로 합금이며 전도성은 약간 다르지만 좋은 참조 값입니다.니켈의 전도도는 구리의 약 1/4이기 때문에 무선 주파수 문제에도 양날의 칼이라는 것을 알 수 있다.낮은 전도도는 더 큰 삽입 손실을 초래하고 피부 깊이를 증가시킵니다. 이는 RF 전류가 더 큰 금속을 더 많이 흘린다는 것을 의미합니다.

ENIG의 또 다른 문제는 "자성"과 관련된 잠재적 인 문제입니다.순수 니켈의 상대 자기전도율 (Isla ¼) 은 약 500으로 매우 높지만 ENIG에 사용되는 니켈은 순수 니켈보다 낮은 Isla 값이지만 여전히 큰 합금입니다.Isla 가 증가함에 따라 피부 깊이 공식에서 볼 수 있듯이 피부 깊이는 감소합니다.이것은 니켈의 전도도가 비교적 낮은 상쇄 요인이다.금속과 관련된 자기 손실도 있다.니켈의 자기 손실은 확실히 구리보다 높다.그것은 전매질과 관련된 손실과 유사하다.개전 손실은 손실 인자 (Df) 와 관련이 있으며, 자기 손실은 금속의 자성과 관련이 있습니다.

다음은 ENIG 및 스킨 딥과 관련된 실제 엔지니어링 사례입니다.한 고객은 같은 설계의 여러 회로 기판의 성능을 테스트했을 때 이러한 회로의 무선 주파수 손실이 현저히 다르다는 것을 발견했다고 우리에게 말했다.이것은 기본적으로 서로 다른 회로 사이의 변화이다.그 결과 이러한 회로의 작동 주파수는 800MHz (0.8GHz) 이며, 이는 ENIG와 관련된 피부 깊이를 다루기 때문에 흥미로운 주파수라는 것을 추가로 발견했습니다.

이 주파수에서 구리의 피부 깊이는 약 2.3 마이크로미터 (약 92 마이크로 인치) 이며 ENIG의 경우 약간 두껍습니다.다양한 요인의 영향으로 ENIG의 니켈 층은 50-250 마이크로 인치 사이가 될 수 있습니다.정상적인 상황에서 ENIG의 회로 간 변화는 그렇게 극단적이지 않지만 많은 다른 이유로 인해 ENIG의 정상적인 니켈 두께 변화는 다를 수 있습니다.

그 결과 적당한 두께 범위 내에서 니켈의 두께 변화가 피부 깊이의 변화에 일정한 영향을 미치는 것이 구리, 니켈, 금의 복합 전도율이 니켈의 두께에 따라 변화하는 원인이다.800MHz의 주파수에서 니켈두께의 변화는 피부로 가는 깊이와 관련된 삽입손실에 뚜렷한 영향을 준다.그러나 24GHz의 주파수에서 적용하여 피부로 가는 깊이가 약 17마이크로인치라면 복합금속도체는 회로의 성능에 영향을 주지 않는다. ENIG의 복합금속은 약 8마이크로인치의 금으로만 구성되고 나머지는 모두 니켈이기 때문이다.마지막으로, 물론 이것은 도체 가장자리 ENIG가 삽입 손실에 영향을 미치는 하나의 예일 뿐입니다.