PCB科技 - PCB中的趨膚深度及其與最終表面處理的相互作用

PCB中的趨膚深度及其與最終表面處理的相互作用

趨膚深度通常指射頻中導體的深度 射頻電路板 電流所在位置. 想像一下，通過觀察圓形導線的橫截面, 您可以看到電流流過橫截面的位置. If the current is provided by the battery of direct current (DC), 電流密度沿導線橫截面均勻分佈, 在導線區域的任何地方，電流密度都是相同的.

如果將電流源更改為正弦交流電，則會發現導線外緣的電流密度大於導線中間的電流密度。 隨著頻率的不斷增加，您會注意到，在導線橫截面積中間的某些點上，沒有電流流動，大部分電流將集中在導體的外邊緣（導體的外表面）。 這是蒙皮深度的基本概念。

以下公式將幫助我們瞭解哪些因素與表皮深度相關。 表皮深度（ð）的簡單定義為：

ð=（1/（µ*f*µ*ƒ）0.5（公式1）

其中：Ï‍是周長比，它是一個固定常數，f是頻率，ϼ是磁導率，Ï131；是電導率。

據估計，大多數人第一次看到這個公式時都會有點困惑。 但事實上，這個公式很容易理解。 公式中符號“m”的值與金屬的磁性有關，銅的相對值約為1，囙此銅的磁導率對方程沒有影響。 公式中符號“σ”的值與金屬的導電性有關。 銅是導電性（高導電性）最好的金屬之一。

來自F1, 您可以很容易地看到蒙皮深度與各種變數之間的關係. For example: as the frequency "f" increases (higher frequency), 表皮深度“ð”將變小. 同樣的道理：如果使用電導率較低的金屬“σ”, 蒙皮深度將變大, 當某些類型的最終表面處理應用於 PCB導體.

表皮深度及其與最終表面處理的相互作用

工業上常用的一種特殊表面處理方法是化學鎳金（ENIG）。 ENIG的影響與導體的邊緣效應有關。 在導體與基板接觸的導體邊緣，自然會有更高的電流密度，邊緣金屬電導率的差异會導致射頻效能的差异。 根據ENIG的處理科技，假設在極低頻率下，表皮厚度非常厚，導體邊緣的電導率是由銅鎳金組成的複合電導率。 隨著頻率的新增，複合電導率將由鎳金决定。 在非常高的頻率下，電導率僅與鍍金層有關。

為了讓您瞭解不同金屬的電導率，我們給出了幾種常見金屬的值（組織為107S/m），銅為5.8，鎳為1.5，金為4.5。 事實上，這些值僅適用於純金屬。 在實際電路中，用於PCB加工的這些金屬通常是合金，它們的電導率會略有不同，但這些都是很好的參攷值。 可以看出，鎳的電導率約為銅的1/4，囙此這也是射頻問題的一把雙刃劍。 電導率越低，插入損耗越大，集膚深度也越大，這意味著射頻電流流過損耗越大的金屬。

ENIG還有另一個問題，那就是與“磁性”相關的潜在問題。 純鎳的相對磁導率（m）非常高，約為500，但ENIG中使用的鎳是一種合金，其m值低於純鎳，但其值仍然很大。 隨著m的新增，從表皮深度公式可以看出，表皮深度將减少。 這是鎳電導率較低的一個抵消因素。 還有與金屬相關的磁損耗。 鎳確實比銅有更高的磁損耗。 這類似於與電介質相關的損耗。 介電損耗與損耗因數（Df）有關，而磁損耗與之類似，與金屬的磁性有關。

以下是與ENIG和表皮深度相關的實際工程案例. 一比特客戶告訴我們，當他們測試多個 電路板 設計相同, 他們發現，這些電路的射頻損耗有顯著差异. 這基本上是不同電路之間的變化. The results further found that the operating frequency of these circuits is 800MHz (0.8 GHz), 這是一個有趣的頻率，因為它涉及與ENIG相關的皮膚深度.

在此頻率下，銅的表皮深度約為2.3微米（約92微英寸），而對於ENIG，則稍厚。 受多種因素的影響，ENIG的鎳層可以在50-250微英寸之間。 在正常情况下，ENIG的電路間變化不會如此極端，但由於許多不同的原因，ENIG的正常鎳厚度變化會有所不同。

結果表明，在適當的厚度範圍內，鎳的厚度變化對集膚深度的變化有一定的影響，這是銅、鎳和金的複合電導率隨鎳厚度變化的原因。 在800MHz的頻率下，鎳厚度的變化對集膚深度和相關插入損耗有顯著影響。 然而，如果在24 GHz的頻率下應用，集膚深度約為17微英寸，複合金屬導體不會影響電路的效能，因為ENIG的複合金屬僅由約8微英寸的金組成，其餘均為鎳。 最後，當然，這只是導體邊緣ENIG影響插入損耗的一個例子。