随着AI的兴起,传输速率要求越来越高,高速互连是电子元件之间通信的主要瓶颈,每个串行信道25-30Gbps正在成为主流,这样的数据速率甚至更高的数据速率可以在芯片上小规模地产生和传输,但对于传输线像铜这样的良导体,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,一般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,趋肤效应必然对高速信号产生很大影响。如下图放大以后看,铜的表面并不像看起来那么光滑,趋肤效应导致信号损耗增加。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.

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趋肤效应介绍

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  • 趋肤效应具体解析说明

在计算导线的电阻和电感时,假设电流是均匀分布于他的截面上。严格说来,这一假设仅在导体内的电流变化率(di/dt)为零时才成立。另一种说法是,导线通过直流(dc)时,能保证电流密度是均匀的。但只要电流变化率很小,电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线,这一论述仍然是可确信的。但在高频电路中,电流变化率非常大,不均匀分布的状态甚为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域产生最大的感应电动势。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流,在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向,它迫使电流只限于靠近导线外表面处。这样,趋肤效应使导线型传输线在高频(微波)时效率很低,因为信号沿它传送时,衰减很大。

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  • 关键参数:趋肤深度;电荷参数

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  • 导体对讯号传播的影响分析

有三个主要因素决定了传输线导体中电流的分布以及相应的信号损耗和色散,分别是导体的体积电阻率,导体的形状和导体OD的稳定性(例如,条形和平面)。此外,表面粗糙度和导体周围的介电介质改变了互连中的电流密度,从而改变了阻抗。频率相关的导体效应可以定性地分为三个频率区域——低、中、高。这种分类可以根据导体中电流密度分布的状态,也可以根据单位长度导体阻抗的性质。任何分类都是必要的,只是为了了解模型的局限性,这些模型只包括一些影响,而不考虑其他影响。下图中的图表提供了导致信号退化(衰减或损耗增加和相位失真)的导体效应的定性说明。图表上的频率轴从上到下,过渡态的实际频率取决于互连或尺度的物理尺寸,稍后将进行量化。电流在直流至较低频率的均质走线和平面导体中均匀分布(复合导体即使在直流时电流分布也不均匀),单位长度对应的阻抗,具有几乎恒定的实部RDC和电感部分,具有几乎恒定的电感LDC,其特征是电场和电流密度在条带和平面内的均匀分布,导电平面在这些频率下没有屏蔽作用。

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在PCB中,电流分布在低至10khz的频率下开始改变,平面电流集中在带材以下,以尽量减少平面吸收的能量(尽管这些损失随着频率的增加而增加)。第一个过渡没有对串行链路的分析有很大的影响,并且可能对模拟不那么重要-由于串行数据链路中使用的交流耦合电容器,实际上没有信号谐波低于100 KHz。在中频范围内,导体内部发生电流密度再分布。相应的效应是不可分离的,通常有不同的名称,如邻近或拥挤效应、边缘效应、过渡到皮肤效应。在中频时,由于导体面积随电流和磁场的增大而减小,电阻增大,而内部导体电感减小。在较高的频率下可以看到趋肤效应和边缘效应,最后,在高频率下,大部分电流在非常薄的表面层中流动,相应的状态可以表征为趋肤效应发育良好。没有边缘、介质和邻近,高频电阻成比例增长,导体内感随f减小。非均匀介质色散和边缘或邻近效应的相互作用进一步加速了电阻随频率的增长。这是有效的,即使非常低的损耗,甚至理想的电介质使用。此外,粗糙度会导致高频电阻的显著增加。其次导体的形状和介电性质对导体的能量吸收有重要影响。尽管如此,我们可以确定介质或过渡频率为不同的互连技术,使用带状线或微带线如下图所示。
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导体表面粗糙度效应

高频下的导体表面粗糙度是信号衰减或退化的另一个主要因素。目前量产镀银或者镀锡都没法满足表面非常光洁的性能要求。导体表面的光洁度可使总互连损耗增加50%甚至更高。实际上,在较低的频率下,粗糙度只对导体的有效电阻率有影响(可能增加它)。但是,随着频率的增加,集肤深度变得相当,然后小于导体表面的凸起,观察到非平坦导体表面的集肤效应。具体下周发布信号线铜导体的高频性能分析(下篇).

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