Teknik PCB - Analisi kesan kedalaman kulit pada struktur PCB RF yang berbeza

Analisi kesan kedalaman kulit pada struktur PCB RF yang berbeza

Kedalaman kulit biasanya digunakan untuk menggambarkan perilaku semasa mengalir melalui konduktor sirkuit, terutama sirkuit PCB pada frekuensi RF/microwave. Apabila arus langsung (DC) melewati konduktor litar PCB, densiti semasa dalam konduktor disebarkan secara bersamaan. Namun, apabila arus sinusoidal frekuensi tinggi mengalir melalui konduktor PCB, distribusi densiti semasa di dalam konduktor akan berubah. Berbanding dengan permukaan konduktor, ketepatan semasa dalaman akan menjadi semakin kecil. Kedalaman kulit semua konduktor menunjukkan kedalaman pada mana densiti semasa pada permukaan konduktor jatuh ke 1/e. Kedalaman kulit adalah parameter papan sirkuit yang penting yang perlu dipertimbangkan bila merancang garis transmisi frekuensi tinggi atau sirkuit RF, dan ia juga faktor yang semua perisian simulasi sirkuit perlu dipertimbangkan bila merancang sirkuit dalam band frekuensi RF/microwave.

Ungkapan matematik kedalaman kulit ð adalah: ð = (1/ϢfµϢ)0.5

Di mana f adalah frekuensi, μ adalah permeabiliti magnetik, dan Ï' adalah konduktiviti elektrik. Dengan memerhatikan formula ini, kita boleh melihat kedalaman kulit konduktor adalah secara bertentangan dengan frekuensi. Kedalaman kulit dalam papan sirkuit frekuensi tinggi sebenarnya adalah tebal yang sangat kecil.

Kepadatan semasa

Dalam kes arus langsung DC, 100% konduktor digunakan untuk menghantar arus. Semua konduktor yang disambungkan ke arus langsung telah mengedarkan densiti semasa secara bersamaan di seluruh seksyen salib mereka. Bagaimanapun, untuk perubahan semasa pada frekuensi sinusoidal, distribusi densiti semasa di dalam konduktor berbeza, dan permukaan luar konduktor mempunyai densiti semasa yang lebih besar daripada bahagian dalaman dan tengah konduktor. Sebagaimana ungkapan matematik kedalaman kulit menunjukkan: sebagaimana frekuensi meningkat, densiti semasa pada permukaan luar konduktor akan menjadi lebih besar dan lebih besar. Pada frekuensi yang sangat tinggi, densiti semasa di dalam konduktor sangat kecil, atau bahkan tiada densiti semasa. Kebanyakan densiti semasa berkonsentrasi pada permukaan luar konduktor. Sebenarnya, semakin tinggi frekuensi, semakin kecil kedalaman kulit konduktor.

Jadi apa kedalaman kulit sebenar konduktor biasa? Mari kita ambil tembaga sebagai contoh. Nilai kira-kira μ adalah kira-kira sama dengan 1, dan Ï' adalah kira-kira 5.8 * 107 S/m. Kedalaman kulit akan menurun semasa frekuensi meningkat. Kedalaman kulit tembaga ialah 2,95μm (0,116mils) pada 500MHz, 2,09μm (0,082mils) pada 1GHz, 0,66μm (0,026mils) pada 10GHz, 0,30μm (0,012mils) pada 50GHz, dan 0,23 pada 80GHz μm (0,009mils). Jelas, kebanyakan ketepatan semasa pada frekuensi gelombang milimeter ditempatkan dekat permukaan konduktor tembaga.

Jadi, bila mungkin tembaga di sirkuit terlalu tipis untuk menjadi konduktor yang baik? Oleh kerana saiz geometri sirkuit adalah fungsi panjang gelombang, ia berkurang semasa frekuensi meningkat. Untuk sirkuit RF/microwave frekuensi tinggi, terutama pada frekuensi gelombang milimeter, kawalan pencetakan ketat wayar tembaga PCB diperlukan. Sesetengah aplikasi memerlukan bahan papan sirkuit yang sangat tipis dengan foli tembaga, kerana foli tembaga yang lebih tipis boleh mengawal lebih baik cetakan ciri sirkuit PCB, seperti garis garis garis dan garis transmisi microstrip. Foil tembaga 1/4 ons (0,25 oz) adalah tembaga yang sangat tipis, dengan tebal piawai 8,89 mikron (0,35 mils). Dibandingkan dengan tebal lain, konduktor tembaga yang tipis ini menyediakan kedalaman kulit yang cukup untuk frekuensi jauh di bawah 500 MHz dan jauh di atas 500 MHz.

Mengingat bahawa permukaan konduktor mempunyai densiti semasa yang lebih tinggi pada frekuensi yang lebih tinggi, faktor yang boleh mempengaruhi kedalaman kulit konduktor dalam PCB adalah keras permukaan foil tembaga di antaramuka konduktor-substrat. Kerana pada frekuensi yang lebih tinggi, densiti semasa meningkat menuju permukaan luar konduktor, permukaan konduktor tembaga yang lebih kasar, terutama kasar foli tembaga di antaramuka konduktor-substrat, akan meningkat kehilangan sirkuit konduktor.

Selain meningkatkan kehilangan konduktor, permukaan kasar konduktor foli tembaga juga akan mengurangi balas fasa dan kelajuan fasa sirkuit, membuat prestasi sirkuit kelihatan seolah-olah ia berada pada substrat dengan konstan dielektrik (Dk) yang lebih tinggi. Oleh itu, untuk bahan substrat konstan dielektrik yang sama, sirkuit dengan permukaan konduktor foli tembaga licin mempunyai Dk yang berkesan lebih rendah daripada sirkuit dengan permukaan konduktor tembaga kasar. Frekuensi yang patut dianggap untuk kelabuan permukaan konduktor tembaga berkaitan dengan kedalaman kulit konduktor. Apabila kedalaman kulit sama dengan kasar permukaan konduktor atau lebih tipis, kasar permukaan konduktor akan mempunyai kesan pada prestasi sirkuit RF/microwave. Contohnya, tembaga elektrolitik (ED) biasanya mempunyai kelabuan permukaan sekitar 2 μm RMS dan akan mempengaruhi prestasi RF sirkuit pada frekuensi sekitar 1 GHz. Copper tergulung mempunyai kelabuan permukaan yang lebih lembut, kira-kira 0.35μmRMS, yang tidak akan mempengaruhi prestasi sirkuit RF/microwave apabila ia kurang dari 40GHz.

Analisis kedalaman

Apabila merancang dan memmodelkan sirkuit frekuensi tinggi, kedalaman kulit sebenar biasanya ditentukan beberapa kali kedalaman kulit yang dikira secara teori (sehingga 5 kali nilai D) untuk melakukan simulasi yang bermakna. Menurut formula pengiraan D, kedalaman kulit berkaitan dengan konduktiviti konduktor. Namun, kita tidak hanya perlu mempertimbangkan konduktiviti elektrik tembaga, tetapi juga konduktiviti elektrik mana-mana rawatan permukaan yang melindungi wayar tembaga PCB. konduktiviti kebanyakan rawatan permukaan PCB lebih rendah daripada rawatan tembaga, yang menyebabkan kurangnya konduktiviti komposit dan meningkat kedalaman kulit. Contohnya, untuk perawatan permukaan emas penyemburan nikel tanpa elektronik (ENIG), konduktiviti adalah komposit dari konduktor nikel, emas dan tembaga. Pada frekuensi yang lebih rendah, densiti semasa dikedarkan di seluruh tiga konduktor logam. Tetapi pada frekuensi yang lebih tinggi, kedalaman kulit menurun, dan hanya nikel dan emas bermain peran konduktor. Pada frekuensi yang sangat tinggi, hanya emas adalah konduktor.

Untuk kaedah perawatan permukaan ENIG, kerana nikel adalah magnetik, nilai μ ditambah dibandingkan tembaga (nilai μ lebih tinggi daripada 1), yang menyebabkan pengurangan kedalaman kulit semasa perawatan permukaan ENIG. Penggunaan rawatan permukaan ini akan menghasilkan kesan dua faktor. Keadaan magnetik nikel mengurangkan kedalaman kulit, sementara konduktivitas bawahnya meningkatkan kedalaman kulit. Sebaliknya, perak tenggelam juga digunakan sebagai rawatan permukaan akhir wayar tembaga pada PCB. Perak mempunyai konduktiviti yang lebih tinggi daripada tembaga dan tidak magnetik. Oleh itu, kedalaman kulit konduktor tembaga akan sedikit dikurangi apabila menggunakan permukaan perak tenggelam. Namun, permukaan perak yang sangat tipis diterima biasanya digunakan, jadi kecuali pada frekuensi gelombang milimeter lebih tinggi, seperti frekuensi gelombang 100 GHz dan milimeter lebih tinggi, kesan rawatan permukaan ini mungkin tidak jelas.

Kedalaman kulit adalah karakteristik sirkuit yang perlu dipertimbangkan, terutama pada frekuensi gelombang milimeter lebih tinggi. Walaupun rawatan permukaan akhir juga akan mempengaruhi prestasi PCB, berat/tebal dan jenis konduktor tembaga akan mempengaruhi prestasi sirkuit RF/microwave serta kualiti bahan dielektrik dan kualiti substrat. Fol tembaga lembut dan tipis, seperti tembaga tergulung, boleh menyediakan kedalaman kulit dan kehilangan konduktor rendah yang diperlukan untuk prestasi frekuensi tinggi yang baik, dengan itu mengurangkan kehilangan sirkuit PCB keseluruhan.