Když je vysokofrekvenční/mikrovlnný vysokofrekvenční signál přiváděn do PCB obvodu, ztráta způsobená samotným obvodem a materiálem obvodu nevyhnutelně vytvoří určité množství tepla. Čím větší je ztráta, tím vyšší je výkon procházející materiálem PCB a tím větší je generované teplo. Když provozní teplota okruhu překročí jmenovitou hodnotu, okruh může způsobit určité problémy. Například typickým provozním parametrem MOT, který je u desek plošných spojů dobře známý, je maximální provozní teplota. Když provozní teplota překročí MOT, bude ohrožena výkonnost a spolehlivost obvodu DPS. Prostřednictvím kombinace elektromagnetického modelování a experimentálních měření může pochopení tepelných charakteristik RF mikrovlnných PCB pomoci vyhnout se zhoršení výkonu obvodu a snížení spolehlivosti způsobené vysokými teplotami.

Pochopení toho, jak dochází k vložnému útlumu v obvodových materiálech, pomáhá lépe popsat důležité faktory související s tepelným výkonem vysokofrekvenčních obvodů PCB. Tento článek vezme mikropáskový přenosový okruh jako příklad k diskusi o kompromisech souvisejících s tepelným výkonem obvodu. V mikropáskovém obvodu s oboustrannou strukturou PCB ztráty zahrnují dielektrickou ztrátu, ztrátu vodiče, ztrátu zářením a ztrátu svodem. Rozdíl mezi různými složkami ztráty je velký. Až na několik výjimek je ztráta svodem vysokofrekvenčních obvodů PCB obecně velmi nízká. Vzhledem k tomu, že hodnota ztráty únikem je v tomto článku velmi nízká, bude prozatím ignorována.

Ztráta záření

Ztráta záření závisí na mnoha parametrech obvodu, jako je pracovní frekvence, tloušťka substrátu obvodu, dielektrická konstanta PCB (relativní dielektrická konstanta nebo εr) a konstrukční plán. Pokud jde o návrhová schémata, ztráty záření často pramení ze špatné transformace impedance v obvodu nebo z rozdílů v přenosu elektromagnetických vln v obvodu. Oblast transformace impedance obvodu obvykle zahrnuje oblast napájení signálu, bod skokové impedance, pahýl a přizpůsobovací síť. Rozumný návrh obvodu může realizovat hladkou transformaci impedance, čímž se sníží ztráta záření obvodu. Samozřejmě je třeba si uvědomit, že existuje možnost nesouladu impedance vedoucí ke ztrátě záření na jakémkoli rozhraní obvodu. Z hlediska pracovní frekvence obvykle platí, že čím vyšší frekvence, tím větší radiační ztráta obvodu.

Parametry obvodových materiálů související se ztrátou záření jsou především dielektrická konstanta a tloušťka materiálu DPS. Čím silnější je substrát obvodu, tím větší je možnost způsobit ztrátu záření; čím nižší je εr materiálu DPS, tím větší je radiační ztráta obvodu. Při komplexním vážení materiálových charakteristik lze použití tenkých obvodových substrátů použít jako způsob, jak kompenzovat ztráty záření způsobené materiály obvodů s nízkým εr. Vliv tloušťky substrátu obvodu a εr na ztrátu záření obvodu je způsoben tím, že jde o funkci závislou na frekvenci. Když tloušťka substrátu obvodu nepřesahuje 20 mil a provozní frekvence je nižší než 20 GHz, je ztráta záření obvodu velmi nízká. Vzhledem k tomu, že většina frekvencí modelování obvodů a měření v tomto článku je nižší než 20 GHz, bude diskuse v tomto článku ignorovat vliv radiačních ztrát na ohřev okruhu.

Po ignorování ztráty záření pod 20 GHz zahrnuje vložný útlum mikropáskového přenosového vedení hlavně dvě části: dielektrickou ztrátu a ztrátu vodiče. Poměr těchto dvou závisí hlavně na tloušťce substrátu obvodu. U tenčích substrátů je hlavní složkou ztráta vodiče. Z mnoha důvodů je obecně obtížné přesně předpovědět ztrátu vodiče. Například drsnost povrchu vodiče má obrovský vliv na přenosové charakteristiky elektromagnetických vln. Drsnost povrchu měděné fólie nejen změní konstantu šíření elektromagnetických vln mikropáskového obvodu, ale také zvýší ztrátu vodiče obvodu. Vliv drsnosti měděné fólie na ztrátu vodiče je v důsledku skinefektu rovněž frekvenčně závislý. Obrázek 1 porovnává vložný útlum 50 ohmových mikropáskových přenosových obvodů na základě různých tlouštěk PCB, které jsou 6.6 mil a 10 mil, v tomto pořadí.

25

Obrázek 1. Porovnání 50 ohmových mikropáskových přenosových obvodů založených na materiálech PCB různých tloušťek

Naměřené a simulované výsledky

Křivka na obrázku 1 obsahuje naměřené výsledky a výsledky simulace. Výsledky simulace jsou získány pomocí softwaru pro výpočet mikrovlnné impedance MWI-2010 společnosti Rogers Corporation. Software MWI-2010 cituje analytické rovnice v klasických článcích v oblasti modelování mikropáskových vedení. Testovací data na obrázku 1 jsou získána metodou diferenciálního měření délky vektorového síťového analyzátoru. Z obr. 1 je vidět, že výsledky simulace křivky celkových ztrát jsou v zásadě konzistentní s naměřenými výsledky. Z obrázku je vidět, že úbytek vodiče tenčího obvodu (křivka vlevo odpovídá tloušťce 6.6 mil) je hlavní složkou celkového vložného útlumu. Jak se tloušťka obvodu zvyšuje (tloušťka odpovídající křivce vpravo je 10 mil), dielektrická ztráta a ztráta vodiče mají tendenci se blížit a oba dohromady tvoří celkovou vložnou ztrátu.

Simulační model na obrázku 1 a parametry materiálu obvodu použité ve skutečném obvodu jsou: dielektrická konstanta 3.66, ztrátový faktor 0.0037 a drsnost povrchu měděného vodiče 2.8 um RMS. Když se drsnost povrchu měděné fólie pod stejným materiálem obvodu sníží, ztráta vodiče u obvodů 6.6 mil a 10 mil na obrázku 1 se výrazně sníží; efekt však není pro okruh 20 mil. zřejmý. Obrázek 2 ukazuje výsledky testů dvou materiálů obvodů s různou drsností, jmenovitě standardního materiálu obvodů Rogers RO4350B™ s vysokou drsností a materiálu obvodu Rogers RO4350B LoPro™ s nízkou drsností.

Obrázek 2 ukazuje výhody použití hladkého povrchového substrátu z měděné fólie pro zpracování mikropáskových obvodů. U tenčích substrátů může použití hladké měděné fólie výrazně snížit vložný útlum. U 6.6mil substrátu je vložný útlum snížen o 0.3 dB při 20GHz díky použití hladké měděné fólie; 10mil substrát je snížen o 0.22 dB při 20 GHz; a 20mil substrátu je vložný útlum snížen pouze o 0.11 dB.

Jak je znázorněno na obrázku 1 a obrázku 2, čím tenčí je substrát obvodu, tím vyšší je vložný útlum obvodu. To znamená, že když je obvod napájen určitým množstvím vysokofrekvenčního mikrovlnného výkonu, tím tenčí obvod bude generovat více tepla. Při komplexním zvážení problematiky okruhového vytápění na jedné straně tenčí okruh generuje více tepla než tlustý okruh při vysokých výkonových hladinách, ale na druhé straně tenčí okruh může získat efektivnější tepelný tok přes chladič. Udržujte teplotu relativně nízkou.

Aby se vyřešil problém ohřevu obvodu, ideální tenký obvod by měl mít následující vlastnosti: nízký ztrátový faktor materiálu obvodu, hladký měděný tenký povrch, nízký εr a vysokou tepelnou vodivost. Ve srovnání s obvodovým materiálem s vysokým εr může být šířka vodiče se stejnou impedancí získaná za podmínek nízkého εr větší, což je výhodné pro snížení ztráty vodiče v obvodu. Z hlediska odvodu tepla obvodů, přestože většina substrátů obvodů vysokofrekvenčních desek plošných spojů má velmi špatnou tepelnou vodivost vzhledem k vodičům, je tepelná vodivost materiálů obvodů stále velmi důležitým parametrem.

Mnoho diskuzí o tepelné vodivosti obvodových substrátů bylo rozpracováno v dřívějších článcích a tento článek bude citovat některé výsledky a informace z dřívějších článků. Například následující rovnice a obrázek 3 jsou užitečné pro pochopení faktorů souvisejících s tepelným výkonem materiálů obvodů PCB. V rovnici je k tepelná vodivost (W/m/K), A je plocha, TH je teplota zdroje tepla, TC je teplota zdroje chladu a L je vzdálenost mezi zdrojem tepla a zdroj chladu.