高頻板集膚效應(yīng)與介質(zhì)厚度及高頻結(jié)構(gòu)

電路的導(dǎo)體損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加。 在低頻時(shí)，導(dǎo)體上的電流幾乎均勻分布在導(dǎo)體內(nèi)部； 但在高頻時(shí)，導(dǎo)體中出現(xiàn)交流電或交變電磁場(chǎng)。 這時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布發(fā)生變化，電流主要集中在導(dǎo)體表面的薄層中。 越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，而導(dǎo)體內(nèi)部的電流很小，甚至沒(méi)有電流，如圖所示。 結(jié)果，導(dǎo)體的電阻增加，導(dǎo)體損耗也增加。 這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。

一般在PCB基板加工過(guò)程中，為了使銅箔牢固地粘附在不同的介質(zhì)材料上，都會(huì)對(duì)銅箔表面進(jìn)行粗化處理，以提高其與PCB介質(zhì)材料的附著力。 大多數(shù)PCB基板會(huì)層壓幾種形式的銅箔導(dǎo)體，包括標(biāo)準(zhǔn)電解銅、反向處理銅和壓延銅。 簡(jiǎn)而言之，標(biāo)準(zhǔn)電解銅是通過(guò)將硫酸銅溶液中的銅離子電解到緩慢滾動(dòng)的拋光不銹鋼鼓上而形成的。 與拋光不銹鋼滾筒直接接觸的銅表面粗糙度是光滑的，但與溶液直接接觸的銅表面粗糙得多。 壓延銅箔是將銅塊用輥壓機(jī)軋制而成。 用軋輥連續(xù)軋制，可得到厚度一致性好、表面光潔的銅箔。 RT銅箔也屬于電解銅，是將銅箔的光滑面與基材壓合而成。

不同的銅箔具有不同的表面粗糙度，表征銅箔表面粗糙度的測(cè)量方法和測(cè)量單位有很多。 對(duì)于 RF 微波應(yīng)用，Rq 或 RMS（均方根）值是更合理的粗糙度表征方法。 不同的銅箔表面表現(xiàn)出完全不同的顆粒和粗糙度特征。 圖a、b分別為兩種典型銅箔標(biāo)準(zhǔn)ED銅和壓延銅與介質(zhì)界面的表面特性； C 列出幾種常見(jiàn)銅箔的典型表面粗糙度值。 可以看出，標(biāo)準(zhǔn)電解銅箔的表面粗糙度比較高，典型的RMS值為2.2um； 但壓延銅箔的表面粗糙度很小，典型的RMS值只有0.3um。

不同的銅箔表面粗糙度會(huì)產(chǎn)生不同的寄生電感，從而導(dǎo)致銅箔表面阻抗發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同的導(dǎo)體損耗。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電路工作頻率對(duì)應(yīng)的趨膚深度小于或等于銅箔表面粗糙度時(shí)，表面粗糙度的影響會(huì)變得非常顯著。 如圖所示，在5mil Rogers RO3003TM相同電路材料上設(shè)計(jì)一條微帶線，測(cè)試其插入損耗。 當(dāng)頻率<1GHz時(shí)，趨膚深度為2.09um，大于標(biāo)準(zhǔn)電解銅粗糙度1.6um和壓延銅粗糙度0.3um。 兩種銅箔電路的插入損耗差異不明顯； 當(dāng)頻率逐漸升高時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電解銅和壓延銅的插入損耗表現(xiàn)出顯著差異。 因此，選擇粗糙度低的銅箔有利于降低插入損耗，尤其是在微波和毫米波段。

高頻板的介質(zhì)厚度

電路材料的介電厚度也會(huì)影響電路的導(dǎo)體損耗。 圖中數(shù)據(jù)曲線是羅杰斯公司基于Hammerstad和Jenson模型開(kāi)發(fā)的MWI應(yīng)用軟件模擬得到的。 該軟件能夠準(zhǔn)確計(jì)算出微帶傳輸線的阻抗和插入損耗，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。

從圖中可以清楚地看出，666萬(wàn)、1000萬(wàn)、3000萬(wàn)不同厚度的羅杰斯RO4835TM熱固性材料上的50Ω微帶線，導(dǎo)體損耗最大為660萬(wàn)，最小導(dǎo)體損耗為3000萬(wàn)； 結(jié)果，具有相同頻率的電路的總插入損耗隨著介質(zhì)厚度的增加而減小。

一方面，這種因厚度不同而導(dǎo)致的導(dǎo)體損耗變化，是由于相同的 50 Ω 微帶線不同厚度的線寬不同所致。 另一方面，銅箔粗糙度對(duì)同一材料不同厚度的導(dǎo)體損耗有不同的影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同厚度銅箔粗糙度對(duì)插入損耗的影響，選用Rogers RO3003TM電路材料設(shè)計(jì)50Ω微帶線進(jìn)行研究和測(cè)試。 同樣的電路是在 500 萬(wàn)和 2000 萬(wàn) RO3003TM 材料的標(biāo)準(zhǔn) ED 銅和壓延銅上制成的。 可以看出，在25GHz時(shí)，基于5mil厚度的標(biāo)準(zhǔn)ED銅和壓延銅電路的插入損耗差異為0.35dB/inch； 基于 20mil 厚度的標(biāo)準(zhǔn) ED 銅和壓延銅的插入損耗差異僅為 0.1dB/英寸。 由于相同材料厚度上的50Ω微帶線具有相同的導(dǎo)體寬度，因此線寬引入的導(dǎo)體損耗是相同的。 因此，在相同的材料上，銅箔粗糙度對(duì)薄介質(zhì)材料的插入損耗影響大于厚材料。 在本例中，增加了 0.25dB/inch。

因此，在銅箔粗糙度相同的情況下，選擇較厚的線路材料可以降低對(duì)插入損耗的影響。 但是，材料越厚，線寬就會(huì)越寬。 對(duì)于微波和毫米波電路應(yīng)用，線寬越寬容易產(chǎn)生不必要的雜散信號(hào)，影響信號(hào)傳輸。 因此，需要平衡材料厚度和銅箔粗糙度。

高頻電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

射頻電路工程師經(jīng)常需要選擇一些PCB電路技術(shù)，如微帶線、帶狀線或接地共面波導(dǎo)（GCPW）來(lái)傳輸信號(hào)。 不同的電路傳輸技術(shù)，最終的插入損耗也存在差異。 微帶線是最簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，但在高頻毫米波段，由于輻射損耗，微帶線的插入損耗顯著增加。 帶狀線是用于微波和毫米波波段的PCB傳輸線的絕佳選擇，但電路加工工藝稍顯復(fù)雜。 GCPW傳輸線技術(shù)是一種中間導(dǎo)體和兩側(cè)接地的電路結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)使其在毫米波段的輻射損耗比微帶線小，電路加工比帶狀線簡(jiǎn)單。

圖為基于20mil Rogers RO4835TM材料的微帶線和GCPW緊耦合電路均為裸銅時(shí)的插入損耗仿真結(jié)果。 頻率較低時(shí)，微帶線和GCPW的輻射損耗很小，而GCPW緊耦合電路由于導(dǎo)體線寬較窄，導(dǎo)體損耗較高，因此微帶線的插入損耗低于GCPW； 當(dāng)頻率較高時(shí)，微帶線的輻射損耗明顯增加，而GCPW的輻射損耗仍然很低，GCPW的總插入損耗較低。

對(duì)于所選電路材料，GCPW 傳輸線的插入損耗隨銅厚度而變化，這是由于 GCPW 結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)分布。 在GCPW電路結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)不僅從頂部中心導(dǎo)體指向底部地，而且從中心導(dǎo)體的側(cè)壁也指向頂部地，形成返回路徑。 當(dāng)銅箔較厚時(shí)，指向側(cè)壁的電場(chǎng)路徑將通過(guò)更多的空氣到達(dá)兩側(cè)的地面。 與介質(zhì)相比，空氣損耗非常低，因此在相同電路下，厚銅GCPW電路的總損耗比薄銅小。 同樣，GCPW的接地間距s也會(huì)影響電路的插入損耗值。 接地間距小的時(shí)候雖然用了更多的空氣，但此時(shí)導(dǎo)體寬度會(huì)變窄，導(dǎo)致導(dǎo)體損耗增加，導(dǎo)致相同電路下的總損耗增加。

當(dāng)對(duì)GCPW電路的導(dǎo)體表面進(jìn)行表面處理工藝時(shí)，插入損耗的變化與微帶線不同。 以ENIG表面處理為例，如上一節(jié)所述，由于ENIG表面處理，微帶線的插入損耗會(huì)增加。 基于8mil RO4003C標(biāo)準(zhǔn)ED銅材料，50GHz下使用ENIG的50Ω微帶線插入損耗比裸銅高約0.7dB； 對(duì)于基于相同電路材料設(shè)計(jì)的50 Ω GCPW電路，其ENIG電路在50GHz的插入損耗比裸銅高1.1 dB，如圖所示。 具有ENIG的GCPW電路具有較高的插入損耗，這不僅是由于像微帶線一樣導(dǎo)體表面的鎳層導(dǎo)致導(dǎo)體損耗增加； 同時(shí)，當(dāng)電場(chǎng)從中心導(dǎo)體返回到頂部地平面時(shí)，會(huì)穿過(guò)地平面表面的鎳層，進(jìn)一步導(dǎo)致插入損耗增加。

總結(jié)：高頻PCB的插入損耗受多種因素影響。

1、選用介質(zhì)損耗低、銅箔表面粗糙度低的電路材料，有利于降低電路的總插入損耗

2、在銅箔表面粗糙度相同的情況下，選擇較厚的線路材料有利于減小對(duì)插入損耗的影響

3、如果電路應(yīng)用于毫米波段，需要平衡由于介質(zhì)厚度導(dǎo)致線寬變寬帶來(lái)的雜散和輻射損耗的影響

4、同時(shí)在電路設(shè)計(jì)和加工中，不同的電路結(jié)構(gòu)和不同的電路表面處理方式都會(huì)影響電路的總插入損耗。 考慮到電路總插入損耗的影響因素，選擇合適的電路材料、設(shè)計(jì)和加工，可以最大限度地降低電路的插入損耗。 綜合考慮各方面，達(dá)到最優(yōu)的PCB設(shè)計(jì)方案。 電路板制造商、電路板設(shè)計(jì)師和PCBA加工商將對(duì)高頻板的集膚效應(yīng)、介質(zhì)厚度和高頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。