PCB 기술 - 피부 깊이가 서로 다른 무선 주파수 PCB 구조에 미치는 영향 분석

피부 깊이가 서로 다른 무선 주파수 PCB 구조에 미치는 영향 분석

피부 깊이는 일반적으로 전류가 회로 도체를 흐르는 행위, 특히 무선 주파수/마이크로파 주파수에서의 PCB 회로를 묘사하는 데 사용된다.직류전기(DC)가 PCB 회로 도체를 통과할 때 도체의 전류 밀도는 균일하게 분포한다.그러나 고주파 정현 전류가 PCB 도체를 통과하면 도체 내부의 전류 밀도 분포가 변경됩니다.내부 전류 밀도는 도체 표면에 비해 점점 작아질 것이다.모든 도체의 피부 깊이는 도체 표면의 전류 밀도가 1 / e로 떨어지는 깊이를 나타냅니다.피부 깊이는 고주파 전송선이나 무선 주파수 회로를 설계할 때 고려해야 할 중요한 회로 기판 매개변수이며, 모든 회로 시뮬레이션 모델링 소프트웨어가 무선 주파수/마이크로파 주파수 대역의 회로를 모델링할 때 고려해야 할 요소이다.

심도 있는 수학 표현식은 다음과 같습니다.

그중 f는 주파수이고 ¼은 자기전도율이며 Í는 전도율이다.이 공식을 관찰함으로써 우리는 도체의 피부로 가는 깊이와 주파수가 반비례하는 것을 볼 수 있다.그래서 고주파 회로 기판의 피부 깊이는 실제로 매우 작은 두께입니다.

전류 밀도

직류 전류의 경우 100% 의 도체는 전류를 전송하는 데 사용된다.직류 전기에 연결된 모든 도체는 횡단면에 균일하게 분포된 전류 밀도를 가지고 있다.그러나 정현주파수로 변화하는 전류의 경우 도체 내부의 전류밀도 분포가 다르고 도체의 외표면은 도체의 내부와 중간부분보다 더 큰 전류밀도를 가지고 있다.피상적 깊이의 수학적 표현식과 같이 주파수가 증가함에 따라 도체 외면의 전류 밀도는 점점 더 커질 것이다.매우 높은 주파수에서 도체 내부의 전류 밀도는 매우 작고 심지어 전류 밀도도 없다.대부분의 전류 밀도는 도체의 외면에 집중되어 있다.사실 주파수가 높을수록 도체의 피부깊이는 작아진다.

그렇다면 흔히 볼 수 있는 도체의 실제 피부 깊이는 얼마일까?구리를 예로 들자.Isla의 근사값은 약 1, Í는 약 5.8*107S/m입니다.피부 깊이는 빈도가 증가함에 따라 감소할 것이다.구리의 피부 깊이는 500MHz에서 2.95μm(0.116mil), 1GHz에서 2.09μm(0.082mils), 10GHz에서 0.66μm(0.026mil), 50GHz에서 0.30μm(0.012mils), 80GHz에서 0.23μm이다. 분명히 밀리미터파 주파수의 구리 전도체 밀도는 표면 근처이다.

그렇다면 회로의 구리는 언제 너무 얇아서 좋은 도체가 되지 못할까?회로 기하학적 형태의 크기는 파장의 함수이기 때문에 주파수가 증가함에 따라 감소합니다.고주파 RF/마이크로파 회로, 특히 밀리미터파 주파수에서는 PCB 동선의 식각을 엄격히 제어해야 한다.일부 응용은 매우 얇은 동박이 있는 회로기판 재료를 필요로 한다. 왜냐하면 더 얇은 동박은 PCB 회로 특징의 식각을 더 잘 제어할 수 있기 때문이다. 예를 들면 밴드선과 마이크로밴드 전송선이다.4분의 1온스(0.25온스) 동박은 표준 두께인 8.89㎛(0.35㎛)의 매우 얇은 구리다. 이 얇은 구리 도체는 다른 두께에 비해 500MHz보다 훨씬 낮고 500MHz보다 훨씬 높은 주파수에 충분한 피부 깊이를 제공한다.

도체 표면이 높은 주파수에서 높은 전류 밀도를 가지고 있다는 것을 고려할 때, PCB에서 도체의 피부 깊이에 영향을 줄 수 있는 요소는 동박이 라이닝-도체 인터페이스에서 표면의 거칠음이다.더 높은 주파수에서 전류 밀도가 도체의 외면을 향해 증가하기 때문에 더 거친 구리 도체 표면, 특히 안감-도체 인터페이스에서 동박의 거친 정도는 도체 회로 손실을 증가시킨다.

동박 도체의 거친 표면은 도체 손실을 증가시키는 것 외에도 회로의 위상 응답과 위상 속도를 떨어뜨려 회로의 성능이 개전 상수 (Dk) 의 더 높은 라이닝 위에 있는 것처럼 보이게 한다.따라서 동일한 개전 상수를 가진 라이닝 재료의 경우 매끄러운 동박 도체 표면을 가진 회로는 거친 동도체 표면을 가진 회로보다 더 낮은 유효 Dk를 가지고 있습니다.구리 도체 표면의 거칠음을 고려해야 하는 빈도는 도체의 피부 깊이와 관련이 있다.피부 깊이가 도체 표면의 거칠음과 같거나 더 얇을 때 도체 표면의 거칠음은 RF/마이크로파 회로의 성능에 영향을 미친다.예를 들어, 전해(ED) 구리의 표면 거칠기는 일반적으로 약 2μm RMS이며 약 1GHz의 주파수에서 회로의 RF 성능에 영향을 미칩니다.압연 구리는 표면 조잡도가 약 0.35 μmRMS로 더 매끄러우며 40GHz 미만일 때 RF/마이크로파 회로의 성능에 영향을 주지 않습니다.

심층 분석

고주파 회로를 설계하고 모델링할 때 의미 있는 시뮬레이션을 하기 위해 실제 피부 깊이는 일반적으로 이론적으로 피부 깊이를 계산하는 몇 배 (D 값의 5배) 이다.D의 계산 공식에 따르면 피부 깊이는 도체의 전도율과 관련이 있다.그러나 우리는 구리의 전도성뿐만 아니라 PCB 구리 선을 보호하는 모든 표면 처리의 전도성도 고려해야 한다.대부분의 PCB 표면 처리는 구리보다 전도성이 낮아 복합 전도성이 낮아지고 피부 깊이가 증가합니다.예를 들어, 화학 니켈 도금 침금 (ENIG) 표면 처리의 경우 전도성은 니켈, 금 및 구리 도체의 복합체입니다.낮은 주파수에서 전류 밀도는 세 개의 모든 금속 도체에 분포한다.그러나 더 높은 주파수에서는 피부 깊이가 낮아져 니켈과 금만이 도체 역할을 한다.매우 높은 주파수에서 황금만이 도체이다.

ENIG 표면 처리 방법의 경우 니켈이 자성이기 때문에 구리에 비해 섬 값이 증가 (섬 값이 1 이상) 하여 ENIG 표면 치료 과정에서 피부 깊이가 감소합니다.이런 표면 처리를 사용하면 두 가지 요소의 영향을 미칠 수 있다.니켈의 자기 전도율은 피부 깊이를 낮추고, 낮은 전도율은 피부 두께를 증가시킨다.이에 비해 침전은도 PCB상 동선의 최종 표면처리로 쓰인다.은의 전도성은 구리보다 높을 뿐만 아니라 자성도 없다.따라서 은 표면에 스며드는 것을 사용할 때 구리 도체의 피부 깊이는 약간 줄어든다.그러나 일반적으로 매우 얇은 스며든 은 표면을 사용하기 때문에 100GHz 및 더 높은 밀리미터파 주파수와 같은 더 높은 밀리미터파 주파수가 아니면 이러한 표면 처리의 효과가 뚜렷하지 않을 수 있습니다.

피부 깊이는 특히 더 높은 밀리미터파 주파수에서 고려해야 할 회로 특성이다.최종 표면 처리는 PCB의 성능에도 영향을 미치지만 구리 도체의 무게/두께 및 유형은 RF/마이크로웨이브 회로의 성능과 매개 전기 재료의 품질 및 기판의 품질에 영향을 미칩니다.압연 구리와 같은 매끄럽고 얇은 동박은 좋은 고주파 성능에 필요한 피부 깊이와 낮은 도체 손실을 제공하여 PCB 회로의 전반적인 손실을 줄일 수 있습니다.