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B010:铜走线的趋肤效应

时间:2013-09-09      浏览次数:

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。这种现象就是趋肤效应。频率越高,电流就越集中在导体表面,可以想象,当频率足够高时,电流几乎只分布在导体表面上薄薄的一层,导体内部几乎没有电流。下面两张图分别为圆形导线和矩形导线上高频电流分布情况。

为什么会有这种现象呢?电磁波很难穿透铜这样的良导体,电磁波进入良导体后,场强振幅会急剧衰减,最终导致电流密度随着深度增加急剧下降,衰减符合指数规律。

趋肤深度用来描述电流在多大程度上接近导体表面,定义为电磁波场强振幅衰减到表面场强1/e的深度。可以表示为

对于像铜这样的良导体,电导率极高,所以随着频率升高,很快就表现出明显的趋肤效应。下图是铜导体趋肤深度和频率的关系。6MHz多一点趋肤深度近似1mil,大概在55MHz左右的时候趋肤深度约0.35mil,1GHz时约0.1mil。从这些数据看,趋肤效应必然对高速信号产生很大影响。铜箔表面并不像看起来那么光滑,趋肤效应导致信号损耗增加。

下图中可看到表面粗糙的铜皮使信号损耗增加。当信号的损耗成为主要制约因素的时候,我们就要格外关注趋肤效应,这也是为什么在高速串行互连设计中关心铜箔类型的原因。

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