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銅走線的趨膚效應

已有 1555 次閱讀2017-8-31 15:54 | 趨膚效應, 銅走線, 銅走線的趨膚效應, 于博士信號完整性

高頻電流流過導體時,電流會趨向于導體表面分布,越接近導體表面電流密度越大。這種現象就是趨膚效應。頻率越高,電流就越集中在導體表面,可以想象,當頻率足夠高時,電流幾乎只分布在導體表面上薄薄的一層,導體內部幾乎沒有電流。下面兩張圖分別為圓形導線和矩形導線上高頻電流分布情況。
為什么會有這種現象呢?電磁波很難穿透銅這樣的良導體,電磁波進入良導體后,場強振幅會急劇衰減,最終導致電流密度隨著深度增加急劇下降,衰減符合指數規律。
趨膚深度用來描述電流在多大程度上接近導體表面,定義為電磁波場強振幅衰減到表面場強1/e的深度。可以表示為
對于像銅這樣的良導體,電導率極高,所以隨著頻率升高,很快就表現出明顯的趨膚效應。下圖是銅導體趨膚深度和頻率的關系。6MHz多一點趨膚深度近似1mil,大概在55MHz左右的時候趨膚深度約0.35mil,1GHz時約0.1mil。從這些數據看,趨膚效應必然對高速信號產生很大影響。銅箔表面并不像看起來那么光滑,趨膚效應導致信號損耗增加。
下圖中可看到表面粗糙的銅皮使信號損耗增加。當信號的損耗成為主要制約因素的時候,我們就要格外關注趨膚效應,這也是為什么在高速串行互連設計中關心銅箔類型的原因。
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