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

Radiation loss depends on many circuit parameters such as operating frequency, circuit substrate thickness, PCB dielectric constant (relative dielectric constant or εr) and design plan. As far as design schemes are concerned, radiation loss often stems from poor impedance transformation in the circuit or electromagnetic waves in the circuit. The difference in transmission. Circuit impedance transformation area usually includes signal feed-in area, step impedance point, stub and matching network. Reasonable circuit design can realize smooth impedance transformation, thereby reducing the radiation loss of the circuit. Of course, it should be realized that there is the possibility of impedance mismatch leading to radiation loss at any interface of the circuit. From the point of view of operating frequency, usually the higher the frequency, the greater the radiation loss of the circuit.

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.

The simulation results are obtained using Rogers Corporation’s MWI-2010 microwave impedance calculation software. The MWI-2010 software quotes the analytical equations in the classic papers in the field of microstrip line modeling. The test data in Figure 1 is obtained by the differential length measurement method of a vector network analyzer. It can be seen from Fig. 1 that the simulation results of the total loss curve are basically consistent with the measured results. It can be seen from the figure that the conductor loss of the thinner circuit (the curve on the left corresponds to a thickness of 6.6 mil) is the main component of the total insertion loss. As the circuit thickness increases (the thickness corresponding to the curve on the right is 10mil), the dielectric loss and the conductor loss tend to approach, and the two together constitute the total insertion loss.

The circuit material parameters used in the simulation model and the actual circuit are: dielectric constant 3.66, loss factor 0.0037, and copper conductor surface roughness 2.8 um RMS. When the surface roughness of the copper foil under the same circuit material is reduced, the conductor loss of the 6.6 mil and 10 mil circuits in Figure 1 will be significantly reduced; however, the effect is not obvious for the 20 mil circuit. Figure 2 shows the test results of two circuit materials with different roughness, namely Rogers RO4350B™ standard circuit material with high roughness and Rogers RO4350B LoPro™ circuit material with low roughness.

For thinner substrates, the use of smooth copper foil can significantly reduce the insertion loss. For the 6.6mil substrate, the insertion loss is reduced by 0.3 dB due to the use of smooth copper foil at 20GHz; the 10mil substrate is reduced by 0.22 dB at 20GHz; and the 20mil substrate, the insertion loss is only reduced by 0.11 dB.

This means that when the circuit is fed with a certain amount of RF microwave power, the thinner the circuit will generate more heat. When comprehensively weighing the issue of circuit heating, on the one hand, a thinner circuit generates more heat than a thick circuit at high power levels, but on the other hand, a thinner circuit can obtain more effective heat flow through the heat sink. Keep the temperature relatively low.

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.