Når højfrekvent/mikrobølgeradiofrekvenssignalet føres ind i PCB kredsløb, vil tabet forårsaget af selve kredsløbet og kredsløbsmaterialet uundgåeligt generere en vis mængde varme. Jo større tab, jo højere strøm passerer gennem PCB-materialet, og jo større varme genereres der. Når kredsløbets driftstemperatur overstiger den nominelle værdi, kan kredsløbet forårsage nogle problemer. For eksempel er den typiske driftsparameter MOT, som er velkendt i PCB, den maksimale driftstemperatur. Når driftstemperaturen overstiger MOT, vil ydelsen og pålideligheden af ​​PCB-kredsløbet være truet. Gennem kombinationen af ​​elektromagnetisk modellering og eksperimentelle målinger kan forståelsen af ​​de termiske egenskaber ved RF-mikrobølge-PCB’er hjælpe med at undgå forringelse af kredsløbsydelse og forringelse af pålidelighed forårsaget af høje temperaturer.

At forstå, hvordan indføringstab opstår i kredsløbsmaterialer, hjælper med at beskrive de vigtige faktorer, der er relateret til den termiske ydeevne af højfrekvente PCB-kredsløb. Denne artikel vil tage mikrostrip-transmissionsledningskredsløbet som et eksempel for at diskutere afvejninger relateret til kredsløbets termiske ydeevne. I et mikrostrip-kredsløb med en dobbeltsidet PCB-struktur omfatter tab dielektriske tab, ledertab, strålingstab og lækagetab. Forskellen mellem de forskellige tabskomponenter er stor. Med få undtagelser er lækagetabet af højfrekvente PCB-kredsløb generelt meget lavt. I denne artikel, da lækagetabsværdien er meget lav, vil den blive ignoreret indtil videre.

Strålingstab

Strålingstab afhænger af mange kredsløbsparametre såsom driftsfrekvens, kredsløbssubstrattykkelse, PCB dielektrisk konstant (relativ dielektrisk konstant eller εr) og designplan. For så vidt angår designskemaer, stammer strålingstab ofte fra dårlig impedanstransformation i kredsløbet eller forskelle i elektromagnetisk bølgetransmission i kredsløbet. Kredsløbsimpedanstransformationsområde omfatter normalt signaltilførselsområde, trinimpedanspunkt, stub og matchende netværk. Rimelig kredsløbsdesign kan realisere jævn impedanstransformation og derved reducere strålingstabet af kredsløbet. Selvfølgelig skal det indses, at der er mulighed for impedansmismatch, der fører til strålingstab ved enhver grænseflade af kredsløbet. Ud fra et driftsfrekvenssynspunkt, jo højere frekvensen er, jo større er strålingstabet af kredsløbet.

Parametrene for kredsløbsmaterialer relateret til strålingstab er hovedsageligt dielektrisk konstant og PCB-materialetykkelse. Jo tykkere kredsløbssubstratet er, jo større er muligheden for at forårsage strålingstab; jo lavere εr af PCB-materialet er, jo større er strålingstabet af kredsløbet. Ved en omfattende afvejning af materialeegenskaber kan brugen af ​​tynde kredsløbssubstrater bruges som en måde at udligne strålingstabet forårsaget af kredsløbsmaterialer med lavt εr. Indflydelsen af ​​kredsløbssubstrattykkelse og εr på kredsløbsstrålingstabet skyldes, at det er en frekvensafhængig funktion. Når tykkelsen af ​​kredsløbssubstratet ikke overstiger 20mil, og driftsfrekvensen er lavere end 20GHz, er strålingstabet af kredsløbet meget lavt. Da de fleste kredsløbsmodellerings- og målefrekvenser i denne artikel er lavere end 20GHz, vil diskussionen i denne artikel ignorere indflydelsen af ​​strålingstab på kredsløbsopvarmning.

After ignoring the radiation loss below 20GHz, the insertion loss of a microstrip transmission line circuit mainly includes two parts: dielectric loss and conductor loss. The proportion of the two mainly depends on the thickness of the circuit substrate. For thinner substrates, conductor loss is the main component. For many reasons, it is generally difficult to accurately predict conductor loss. For example, the surface roughness of a conductor has a huge influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. The surface roughness of copper foil will not only change the electromagnetic wave propagation constant of the microstrip circuit, but also increase the conductor loss of the circuit. Due to the skin effect, the influence of copper foil roughness on conductor loss is also frequency-dependent. Figure 1 compares the insertion loss of 50 ohm microstrip transmission line circuits based on different PCB thicknesses, which are 6.6 mils and 10 mils, respectively

Målte og simulerede resultater

Kurven i figur 1 indeholder de målte resultater og simuleringsresultater. Simuleringsresultaterne opnås ved at bruge Rogers Corporations MWI-2010 mikrobølgeimpedansberegningssoftware. MWI-2010-softwaren citerer de analytiske ligninger i de klassiske artikler inden for mikrostrip-linjemodellering. Testdataene i figur 1 er opnået ved metoden til måling af differentiallængde i en vektornetværksanalysator. Det kan ses af fig. 1, at simuleringsresultaterne af totaltabskurven grundlæggende stemmer overens med de målte resultater. Det kan ses af figuren, at ledertabet i det tyndere kredsløb (kurven til venstre svarer til en tykkelse på 6.6 mil) er hovedkomponenten af ​​det samlede indføringstab. Efterhånden som kredsløbstykkelsen stiger (tykkelsen svarende til kurven til højre er 10mil), har det dielektriske tab og ledertabet en tendens til at nærme sig, og de to udgør tilsammen det samlede indføringstab.

Simuleringsmodellen i figur 1 og kredsløbsmaterialeparametrene, der anvendes i det aktuelle kredsløb, er: dielektrisk konstant 3.66, tabsfaktor 0.0037 og kobberlederoverfladeruhed 2.8 um RMS. Når overfladeruheden af ​​kobberfolien under det samme kredsløbsmateriale reduceres, vil ledertabet af 6.6 mil og 10 mil kredsløbene i figur 1 blive betydeligt reduceret; virkningen er dog ikke tydelig for 20 mil kredsløbet. Figur 2 viser testresultaterne af to kredsløbsmaterialer med forskellig ruhed, nemlig Rogers RO4350B™ standardkredsløbsmateriale med høj ruhed og Rogers RO4350B LoPro™ kredsløbsmateriale med lav ruhed.

Som vist i figur 1 og figur 2, jo tyndere kredsløbssubstratet er, jo større er indføringstabet af kredsløbet. Det betyder, at når kredsløbet tilføres en vis mængde RF-mikrobølgeeffekt, jo tyndere vil kredsløbet generere mere varme. Ved en omfattende afvejning af spørgsmålet om kredsløbsopvarmning genererer et tyndere kredsløb på den ene side mere varme end et tykt kredsløb ved høje effektniveauer, men på den anden side kan et tyndere kredsløb opnå en mere effektiv varmestrøm gennem kølepladen. Hold temperaturen relativt lav.

For at løse opvarmningsproblemet i kredsløbet skal det ideelle tynde kredsløb have følgende egenskaber: lav tabsfaktor for kredsløbsmaterialet, glat kobber tynd overflade, lav εr og høj varmeledningsevne. Sammenlignet med kredsløbsmaterialet med høj εr kan lederbredden af ​​den samme impedans opnået under betingelsen med lav εr være større, hvilket er fordelagtigt for at reducere ledertabet i kredsløbet. Set fra kredsløbets varmeafledningsperspektiv, selvom de fleste højfrekvente PCB-kredsløbssubstrater har meget dårlig termisk ledningsevne i forhold til ledere, er kredsløbsmaterialernes varmeledningsevne stadig en meget vigtig parameter.

En masse diskussioner om den termiske ledningsevne af kredsløbssubstrater er blevet uddybet i tidligere artikler, og denne artikel vil citere nogle resultater og information fra tidligere artikler. For eksempel er den følgende ligning og figur 3 nyttige til at forstå de faktorer, der er relateret til den termiske ydeevne af PCB-kredsløbsmaterialer. I ligningen er k den termiske ledningsevne (W/m/K), A er arealet, TH er varmekildens temperatur, TC er den kolde kildes temperatur, og L er afstanden mellem varmekilden og den kolde kilde.