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趨膚深度及其與最終表面處理之間的相互影響

2019-10-12 06:53 ? 次閱讀

趨膚深度通常是指射頻(RF)電路電流所在導體內的深度。可以想象一下,觀察圓形導線的橫截面,就能夠看到截面上哪些地方有電流流過。如果電流由電池提供的直流電(DC),則電流密度在導線的橫截面上呈現均勻分布,電流密度在該導線區域的任何地方都是相同的。

如果將電流源換成正弦交流電,你會發現導線外邊緣的電流密度大于導線中間的電流密度。隨著頻率不斷提高,你會注意到在導線橫截面區域的中間部分某些點上,是沒有電流流過的,并且大部分電流會集中到導體的外邊緣(導體外表面)上。這就是趨膚深度的基本概念。

下面這個公式將有助于我們理解趨膚深度和哪些因素有關系。趨膚深度(e)的簡單定義是:

e = (1/(π*f*μ*σ))0.5(公式1)

其中:π是圓周率,它是固定常數,f是頻率,μ是磁導率,σ是電導率。

估計大多數人在第一次看到這個公式時,會有些發懵。但實際上這個公式很容易理解。公式中符號“μ”值與金屬的磁性有關,銅的相對值約為1,因此銅的磁導率μ對方程沒有任何影響。公式中符號“σ”的值與金屬的導電性有關,銅是導電性最好(高導電性)的金屬之一。

從公式1大家可以很容易的看到趨膚深度與各個變量之間的關系。例如:隨著頻率“f”的增加(更高頻率),趨膚深度“e”會變小。同理:如果使用導電率“σ”較低的金屬,則趨膚深度會變大,這是在PCB導體上應用某些類型的最終表面處理時會發生的情況。表面鍍層對趨膚深度的影響是一個相當復雜的問題,如果你想了解更多信息,可以參考我幾個月前寫過的相關文章。

工業上常用的一種特殊的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,而這些邊緣金屬導電性的差異將導致射頻性能的差異。在ENIG的加工工藝下,假設在趨膚深度很厚的極低頻率下,導體邊緣的電導率是由銅- 鎳 - 金組成的復合電導率。隨著頻率增加,復合電導率將由鎳- 金決定。在非常高的頻率下,電導率將只與鍍金層有關。

為了讓您了解不同金屬的電導率,我們給出幾種常用金屬的值(單位是107S/m),銅為5.8,鎳為1.5,金為4.5。實際上,這些值僅適用于純金屬。而實際電路中,這些用于PCB加工的金屬通常是合金,其導電性會略有不同,但這些都是很好的參考值。可見鎳的導電性大約是銅的1/4,因此這也是射頻問題的雙刃劍。較低的電導率會導致更大的插入損耗,并且還會增加趨膚深度,這意味著射頻電流流過了更多的有損金屬。

ENIG還有另一個問題,即與“磁”相關的潛在問題。純鎳的相對磁導率(μ)非常高,約為500,但用于ENIG的鎳是具有比純鎳更低μ值的合金-- 但是它這個值依然很大。隨著μ的增加,在趨膚深度公式中可以看出趨膚深度將減小。這是鎳具有較低導電率的抵消因素。另外還有與金屬相關的磁損耗,鎳確實比銅有更高的磁損耗。其類似于與電介質有關的損耗,介電損耗與損耗因子(Df)有關,而磁損耗與之類似,與金屬的磁性有關。

下面是一個ENIG和趨膚深度相關的實際工程案例。有一位客戶告訴我們,當他們測試相同設計的多個電路的性能時,發現這些電路的射頻損耗明顯不同。這基本上是不同電路間的變化。結果進一步發現這些電路的工作頻率為800MHz(0.8 GHz),這是一個有趣的頻率,因為它涉及到了與ENIG有關的趨膚深度。

在該頻率下,銅的趨膚深度約為2.3微米(約92微英寸),而對于ENIG來說,則會稍厚一些。受許多因素影響,ENIG的鎳層可以從50-250微英寸不等。正常情況下ENIG的電路與電路之間的變化并不是那么極端,但ENIG的正常鎳厚度變化會因許多不同的原因而有所不同。

結果表明,鎳的厚度變化在合適的厚度范圍內,對趨膚深度變化有一定的影響,這與銅鎳金的復合導電率隨鎳厚度的不同而不同的原因。在800MHz的這個頻率下,鎳厚度的變化對趨膚深度和相關的插入損耗有顯著影響。但如果在24 GHz頻率下的應用,此時趨膚深度約為17微英寸,則復合的金屬導體將不會影響電路的性能,因為ENIG的復合金屬由大約僅8微英寸的金組成,其余均為鎳。最后,當然,這僅僅是位于導體邊緣ENIG影響插入損耗的例子。

約翰·孔羅德是羅杰斯公司的技術市場經理。

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