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趋肤效应和铜箔粗糙度关系以及造成导线损耗的影响

趋肤效应（集肤效应）skin effect：

高频电流流过导体时，电流会趋向于导体表面分布，越接近导体表面电流密度越大。导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。导线通有高频交变电流时，有效截面的减少可以用穿透深度来表示。

通常我们认为电流在信号线导线中均匀分布，但是随着频率的提高电流就会重新分布趋向于导线的表面，这就是趋肤效应。且高频时，铜导线中的电流流过的横截面厚度约等于集肤深度

穿透深度的意义是：由于趋肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度，计算公式为

有上面公式可知频率越高，集肤深度就越小。导线的电阻与横截面面积成反比，所以电阻也增大，随之就会带来更大导体损耗。

应用：利用相互绝缘的多根细导线代替单根实心导线，可以改善降低导线的等效电阻。材料表面镀银或镀金，降低表面电阻，可以改善导线的等效电阻。实心导线改用空心导线，导电效果基本一样，可以节省材料。

从上面表格可知：

对于50Hz的工频交流电，导体为铜，其趋肤深度约8mm，这样对于厚度大于16的铜线，其中心处电流密度非常小，因此用于传输工频电流的铜线厚度一般小于12mm。

铜箔：

分电解铜箔（ED铜）和压延铜箔（THE铜）。

铜箔有一面光滑，称为光面（Drum Side）,另一面是粗糙的结晶面，称为毛面（Matte Side）。毛面是印制电路的电路表面，毛面是与PCB基材结合的面。

电解铜箔：

常规铜箔（STD），反转铜箔（RTF），低/超低表面粗糙度铜箔（VLP/HVLP）。通过扫描电镜和金相显微镜可看出STD、RTF和HVLP铜箔（厚0.5oz）的表面形貌：

STD铜箔毛面粗糙度（Rz）约为5um，光面（RA）粗糙度3um；RTF铜箔毛面、光面粗糙度约3um；HVLP铜箔光面、毛面粗糙度均在2um以内。

从上面的公式计算可知：当频率达到1GHz时，其信号在导线表面的传输厚度仅为 2.1um,如果导体是STD，信号仅在粗糙度的厚度范围传输，将导致很严重的反射问题，并导致信号传输路径变长，损耗增加。

传输线损耗主要包括介质损耗和导体损耗两个部分。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。这主要与PCB介质的损耗因子有关。

导体损耗：导体不理想，存在电阻，在电流通过时发热而引起的损耗，这主要与PCB导体的趋肤效应、粗糙度和导电率（电阻率）有关系。

1oz铜厚为35um。在频率低的情况下完全可以认为是电流均匀分布。PCB板上构成导体的铜箔由于加工工艺，不可避免存在一定的粗糙度。

常规电解铜的表面粗糙度约为5um，对于5GHZ左右的信号不能表现出太大的影响。但是随着频率的提高趋肤深度就越小就要考虑使用高速板材搭配低粗糙度来使用。目前常用于搭配高速板材的铜箔处理方式有反转铜箔和超低粗糙度铜皮，如果对性能有更高要求，则还有压延处理的铜箔及极低粗糙度铜箔。

铜皮粗糙度带来损耗验证

铜皮粗糙度仿真建模需要使用全波提取就是我们常说的3D求解器。粗糙度模型常用的有两种Hammerstad Model（锯齿模型）和Huray Model（雪球模型），雪球模型更接近实际情况，需要设置两个参数，雪球半径和密度。例如下图，是相对光滑的设置。

推荐设置，雪球半径0.5um，密度2.9，为中等粗糙度。雪球半径0.5um，密度6，为很粗糙的情况。下图我3D求解器提取S参数情况。dB（2,1）相对光滑情况，dB（4,3）中等粗糙度情况，dB（5,6）很粗糙情况。在5G左右相差0.3dB左右，在28G时候相差近2dB。