趋肤深度及其与最终表面处理之间的相互影响

趋肤深度及其与最终表面处理之间的相互影响趋肤深度通常是指射频(RF)电路中电流所在导体内的深度。可以想象一下，观察圆形导线的横截面，就能够看到截面上哪些地方有电流流过。如果电流由电池提供的直流电（DC），则电流密度在导线的横截面上呈现均匀分布，电流密度在该导线区域的任何地方都是相同的。如果将电流源换成正弦交流电，你会发现导线外边缘的电流密度大于导线中间的电流密度。随着频率不断提高，你会注意到在导线横截面区域的中间部分某些点上，是没有电流流过的，并且大部分电流会集中到导体的外边缘（导体外表面）上。这就是趋肤深度的基本概念。下面这个公式将有助于我们理解趋肤深度和哪些因素有关系。趋肤深度（ð）的简单定义是：ð=(1/(π*f*µ*σ))0.5（公式1）其中：π是圆周率，它是固定常数，f是频率，μ是磁导率，σ是电导率。估计大多数人在第一次看到这个公式时，会有些发懵。但实际上这个公式很容易理解。公式中符号“μ”值与金属的磁性有关，铜的相对值约为1，因此铜的磁导率μ对方程没有任何影响。公式中符号“σ”的值与金属的导电性有关，铜是导电性最好（高导电性）的金属之一。从公式1大家可以很容易的看到趋肤深度与各个变量之间的关系。例如：随着频率“f”的增加（更高频率），趋肤深度“ð”会变小。同理：如果使用导电率“σ”较低的金属，则趋肤深度会变大，这是在PCB导体上应用某些类型的最终表面处理时会发生的情况。表面镀层对趋肤深度的影响是一个相当复杂的问题，如果你想了解更多信息，可以参考我几个月前写过的相关文章。工业上常用的一种特殊的表面处理方法是化学镍金（ENIG），ENIG的影响与导体的边缘效应有关。在导体与基板接触的导体边缘，自然会有更高的电流密度，而这些边缘金属导电性的差异将导致射频性能的差异。在ENIG的加工工艺下，假设在趋肤深度很厚的极低频率下，导体边缘的电导率是由铜-镍-金组成的复合电导率。随着频率增加，复合电导率将由镍-金决定。在非常高的频率下，电导率将只与镀金层有关。为了让您了解不同金属的电导率，我们给出几种常用金属的值（单位是107S/m），铜为5.8，镍为1.5，金为4.5。实际上，这些值仅适用于纯金属。而实际电路中，这些用于PCB加工的金属通常是合金，其导电性会略有不同，但这些都是很好的参考值。可见镍的导电性大约是铜的1/4，因此这也是射频问题的双刃剑。较低的电导率会导致更大的插入损耗，并且还会增加趋肤深度，这意味着射频电流流过了更多的有损金属。ENIG还有另一个问题，即与“磁”相关的潜在问题。纯镍的相对磁导率（μ）非常高，约为500，但用于ENIG的镍是具有比纯镍更低μ值的合金--但是它这个值依然很大。随着μ的增加，在趋肤深度公式中可以看出趋肤深度将减小。这是镍具有较低导电率的抵消因素。另外还有与金属相关的磁损耗，镍确实比铜有更高的磁损耗。其类似于与电介质有关的损耗，介电损耗与损耗因子（Df）有关，而磁损耗与之类似，与金属的磁性有关。下面是一个ENIG和趋肤深度相关的实际工程案例。有一位客户告诉我们，当他们测试相同设计的多个电路的性能时，发现这些电路的射频损耗明显不同。这基本上是不同电路间的变化。结果进一步发现这些电路的工作频率为800MHz（0.8GHz），这是一个有趣的频率，因为它涉及到了与ENIG有关的趋肤深度。在该频率下，铜的趋肤深度约为2.3微米（约92微英寸），而对于ENIG来说，则会稍厚一些。受许多因素影响，ENIG的镍层可以从50-250微英寸不等。正常情况下ENIG的电路与电路之间的变化并不是那么极端，但ENIG的正常镍厚度变化会因许多不同的原因而有所不同。结果表明，镍的厚度变化在合适的厚度范围内，对趋肤深度变化有一定的影响，这与铜镍金的复合导电率随镍厚度的不同而不同的原因。在800MHz的这个频率下，镍厚度的变化对趋肤深度和相关的插入损耗有显著影响。但如果在24GHz频率下的应用，此时趋肤深度约为17微英寸，则复合的金属导体将