Teknik PCB - Kedalaman kulit dalam PCB dan interaksi dengan rawatan permukaan terakhir

Kedalaman kulit dalam PCB dan interaksi dengan rawatan permukaan terakhir

Kedalaman kulit biasanya merujuk kedalaman konduktor dalam papan sirkuit RF frekuensi radio di mana arus ditemui. Bayangkan bahawa dengan memerhatikan salib seksyen wayar bulat, anda boleh melihat di mana semasa mengalir melalui salib seksyen. Jika semasa disediakan oleh bateri semasa langsung (DC), densiti semasa disebarkan secara serentak di seluruh seksyen salib wayar, dan densiti semasa adalah sama di mana-mana di kawasan wayar.

Jika anda ubah sumber semasa ke semasa yang berubah sinusoidal, anda akan mendapati bahawa densiti semasa di pinggir luar wayar lebih besar daripada densiti semasa di tengah wayar. Sebagaimana frekuensi terus meningkat, anda akan perasan bahawa pada beberapa titik di tengah-tengah kawasan melintas wayar, tiada aliran semasa, dan kebanyakan aliran semasa akan berkoncentrasi pada pinggir luar konduktor (permukaan luar konduktor). Ini adalah konsep asas kedalaman kulit.

Formula berikut akan membantu kita memahami faktor mana yang berkaitan dengan kedalaman kulit. Definisi sederhana kedalaman kulit (ð) adalah:

0.5 (Formula 1)

Di antara mereka: Ï-adalah nisbah lingkungan, yang adalah konstan tetap, f adalah frekuensi, μ adalah permeabiliti magnetik, dan Ï-adalah konduktiviti elektrik.

Ia diharapkan bahawa kebanyakan orang akan sedikit bingung apabila mereka melihat formula ini untuk pertama kalinya. Tetapi sebenarnya formula ini mudah untuk dipahami. Nilai simbol "μ" dalam formula berkaitan dengan ciri-ciri magnetik logam, dan nilai relatif tembaga adalah kira-kira 1, jadi permeabiliti magnetik tembaga tidak mempunyai kesan pada persamaan. Nilai simbol "Ï" dalam formula berkaitan dengan konduktiviti logam. Copper adalah salah satu logam dengan konduktiviti terbaik (konduktiviti tinggi).

Dari Formula 1, anda mudah melihat hubungan antara kedalaman kulit dan pelbagai pembolehubah. Contohnya: kerana frekuensi "f" meningkat (frekuensi yang lebih tinggi), kedalaman kulit "ð" akan menjadi lebih kecil. Hal yang sama adalah benar: jika anda menggunakan logam dengan konduktiviti yang lebih rendah "Ï", kedalaman kulit akan menjadi lebih besar, yang adalah apa yang berlaku apabila jenis-jenis rawatan permukaan terakhir dilaksanakan pada konduktor PCB.

Kedalaman kulit dan interaksinya dengan rawatan permukaan terakhir

Kaedah perawatan permukaan khusus yang biasanya digunakan dalam industri adalah emas nikil kimia (ENIG). Kesan ENIG berkaitan dengan kesan pinggir konduktor. Di pinggir konduktor dimana konduktor berhubung dengan substrat, secara alami akan ada ketepatan semasa yang lebih tinggi, dan perbezaan dalam konduktiviti logam pinggir akan menghasilkan perbezaan dalam prestasi frekuensi radio. Di bawah teknologi pemprosesan ENIG, dianggap bahawa pada frekuensi yang sangat rendah di mana kedalaman kulit sangat tebal, konduktiviti di tepi konduktor adalah konduktiviti komposit yang terdiri dari emas tembaga-nikel-emas. Sebagaimana frekuensi meningkat, konduktiviti komposit akan ditentukan dengan nikel emas. Pada frekuensi yang sangat tinggi, konduktiviti hanya akan berkaitan dengan lapisan berwarna emas.

Untuk memberitahu anda konduktiviti logam yang berbeza, kita memberikan nilai beberapa logam biasa (unit ialah 107S/m), tembaga ialah 5.8, nikil ialah 1.5, dan emas ialah 4.5. Malah, nilai-nilai ini hanya berlaku pada logam murni. Dalam sirkuit sebenar, logam ini digunakan untuk pemprosesan PCB biasanya adalah ikatan, dan konduktiviti mereka akan sedikit berbeza, tetapi ia adalah nilai rujukan yang baik. Ia boleh dilihat bahawa konduktiviti nikel adalah kira-kira 1/4 daripada yang tembaga, jadi ini juga pedang dua pinggir untuk masalah frekuensi radio. Kerendahan konduktiviti akan menghasilkan kehilangan penyisihan yang lebih besar, dan juga akan meningkatkan kedalaman kulit, yang bermakna bahawa arus RF mengalir melalui logam yang lebih kehilangan.

ENIG mempunyai masalah lain, yang merupakan masalah potensi berkaitan dengan "magnetisme". Permewabiliti relatif (μ) nikel murni sangat tinggi, kira-kira 500, tetapi nikel yang digunakan dalam ENIG adalah satu ikatan dengan nilai μ yang lebih rendah daripada nikel murni - tetapi nilainya masih sangat besar. Apabila μ meningkat, ia boleh dilihat dari formula kedalaman kulit bahawa kedalaman kulit akan menurun. Ini adalah faktor kontraaktif untuk konduktiviti rendah nikel. Terdapat juga kehilangan magnet berkaitan logam. Nikel mempunyai kehilangan magnetik yang lebih tinggi daripada tembaga. Ia sama dengan kehilangan berkaitan dengan dielektrik. Kehilangan dielektrik berkaitan dengan faktor kehilangan (Df), dan kehilangan magnetik adalah sama dengan ia, berkaitan dengan ciri-ciri magnetik logam.

Berikut adalah kes teknik sebenar berkaitan dengan ENIG dan kedalaman kulit. Seorang pelanggan memberitahu kami bahawa apabila mereka menguji prestasi papan sirkuit berbilang desain yang sama, mereka mendapati bahawa kerugian RF sirkuit ini adalah berbeza secara signifikan. Ini adalah perubahan antara sirkuit yang berbeza. Hasil-hasilnya mendapati bahawa frekuensi operasi sirkuit ini adalah 800MHz (0.8 GHz), yang merupakan frekuensi yang menarik kerana ia melibatkan kedalaman kulit yang berkaitan dengan ENIG.

Pada frekuensi ini, kedalaman kulit tembaga adalah kira-kira 2.3 mikron (kira-kira 92 mikroinci), sementara untuk ENIG, ia sedikit lebih tebal. Terkena banyak faktor, lapisan nikel ENIG boleh julat dari 50-250 mikroinci. Dalam keadaan biasa, perubahan sirkuit-ke-sirkuit ENIG tidak begitu ekstrim, tetapi perubahan tebal nikel biasa ENIG akan berbeza kerana banyak alasan yang berbeza.

Hasilnya menunjukkan bahawa perubahan tebal nikel mempunyai kesan tertentu pada perubahan kedalaman kulit dalam julat tebal yang sesuai, iaitu sebabnya konduktiviti komposit tembaga, nikel dan emas berbeza dengan tebal nikel. Pada frekuensi ini 800MHz, perubahan dalam tebal nikel mempunyai kesan yang signifikan pada kedalaman kulit dan kehilangan penyisihan berkaitan. Namun, jika aplikasi pada frekuensi 24 GHz, kedalaman kulit sekitar 17 mikro inci, konduktor logam komposit tidak akan mempengaruhi prestasi sirkuit, kerana logam komposit ENIG hanya terdiri dari sekitar 8 mikro inci emas, dan sisanya semua adalah nikel. Akhirnya, tentu saja, ini hanya contoh ENIG di tepi konduktor yang mempengaruhi kehilangan penyisihan.