高頻板集膚效應與介質厚度及高頻結構

電路的導體損耗會隨著頻率的增加而增加。 在低頻時，導體上的電流幾乎均勻分布在導體內部； 但在高頻時，導體中出現交流電或交變電磁場。 這時，導體內部的電流分布發生變化，電流主要集中在導體表面的薄層中。 越靠近導體表面，電流密度越大，而導體內部的電流很小，甚至沒有電流，如圖所示。 結果，導體的電阻增加，導體損耗也增加。 這種現象稱為集膚效應。

一般在PCB基板加工過程中，為了使銅箔牢固地粘附在不同的介質材料上，都會對銅箔表面進行粗化處理，以提高其與PCB介質材料的附著力。 大多數PCB基板會層壓幾種形式的銅箔導體，包括標準電解銅、反向處理銅和壓延銅。 簡而言之，標準電解銅是通過將硫酸銅溶液中的銅離子電解到緩慢滾動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軋制而成。 用軋輥連續軋制，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量方法和測量單位有很多。 對于 RF 微波應用，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準ED銅和壓延銅與介質界面的表面特性； C 列出幾種常見銅箔的典型表面粗糙度值。 可以看出，標準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產生不同的寄生電感，從而導致銅箔表面阻抗發生變化，從而導致不同的導體損耗。 一般來說，當電路工作頻率對應的趨膚深度小于或等于銅箔表面粗糙度時，表面粗糙度的影響會變得非常顯著。 如圖所示，在5mil Rogers RO3003TM相同電路材料上設計一條微帶線，測試其插入損耗。 當頻率<1GHz時，趨膚深度為2.09um，大于標準電解銅粗糙度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； 當頻率逐漸升高時，標準電解銅和壓延銅的插入損耗表現出顯著差異。 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。

高頻板的介質厚度

電路材料的介電厚度也會影響電路的導體損耗。 圖中數據曲線是羅杰斯公司基于Hammerstad和Jenson模型開發的MWI應用軟件模擬得到的。 該軟件能夠準確計算出微帶傳輸線的阻抗和插入損耗，仿真結果與實測值吻合較好。

從圖中可以清楚地看出，666萬、1000萬、3000萬不同厚度的羅杰斯RO4835TM熱固性材料上的50Ω微帶線，導體損耗最大為660萬，最小導體損耗為3000萬； 結果，具有相同頻率的電路的總插入損耗隨著介質厚度的增加而減小。

一方面，這種因厚度不同而導致的導體損耗變化，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，銅箔粗糙度對同一材料不同厚度的導體損耗有不同的影響。

為進一步驗證不同厚度銅箔粗糙度對插入損耗的影響，選用Rogers RO3003TM電路材料設計50Ω微帶線進行研究和測試。 同樣的電路是在 500 萬和 2000 萬 RO3003TM 材料的標準 ED 銅和壓延銅上制成的。 可以看出，在25GHz時，基于5mil厚度的標準ED銅和壓延銅電路的插入損耗差異為0.35dB/inch； 基于 20mil 厚度的標準 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體寬度，因此線寬引入的導體損耗是相同的。 因此，在相同的材料上，銅箔粗糙度對薄介質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插入損耗的影響。 但是，材料越厚，線寬就會越寬。 對于微波和毫米波電路應用，線寬越寬容易產生不必要的雜散信號，影響信號傳輸。 因此，需要平衡材料厚度和銅箔粗糙度。

高頻電路設計結構

射頻電路工程師經常需要選擇一些PCB電路技術，如微帶線、帶狀線或接地共面波導（GCPW）來傳輸信號。 不同的電路傳輸技術，最終的插入損耗也存在差異。 微帶線是最簡單的傳輸技術，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雜。 GCPW傳輸線技術是一種中間導體和兩側接地的電路結構。 這種結構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的插入損耗仿真結果。 頻率較低時，微帶線和GCPW的輻射損耗很小，而GCPW緊耦合電路由于導體線寬較窄，導體損耗較高，因此微帶線的插入損耗低于GCPW； 當頻率較高時，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 結構中的電磁場分布。 在GCPW電路結構中，電場不僅從頂部中心導體指向底部地，而且從中心導體的側壁也指向頂部地，形成返回路徑。 當銅箔較厚時，指向側壁的電場路徑將通過更多的空氣到達兩側的地面。 與介質相比，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也會影響電路的插入損耗值。 接地間距小的時候雖然用了更多的空氣，但此時導體寬度會變窄，導致導體損耗增加，導致相同電路下的總損耗增加。

當對GCPW電路的導體表面進行表面處理工藝時，插入損耗的變化與微帶線不同。 以ENIG表面處理為例，如上一節所述，由于ENIG表面處理，微帶線的插入損耗會增加。 基于8mil RO4003C標準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； 對于基于相同電路材料設計的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體表面的鎳層導致導體損耗增加； 同時，當電場從中心導體返回到頂部地平面時，會穿過地平面表面的鎳層，進一步導致插入損耗增加。

總結：高頻PCB的插入損耗受多種因素影響。

1、選用介質損耗低、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插入損耗的影響

3、如果電路應用于毫米波段，需要平衡由于介質厚度導致線寬變寬帶來的雜散和輻射損耗的影響

4、同時在電路設計和加工中，不同的電路結構和不同的電路表面處理方式都會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、設計和加工，可以最大限度地降低電路的插入損耗。 綜合考慮各方面，達到最優的PCB設計方案。 電路板制造商、電路板設計師和PCBA加工商將對高頻板的集膚效應、介質厚度和高頻結構進行講解。