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

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.

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.

Efter at have ignoreret strålingstabet under 20GHz, omfatter indsættelsestabet af et mikrostrip-transmissionslinjekredsløb hovedsageligt to dele: dielektrisk tab og ledertab. Andelen af ​​de to afhænger hovedsageligt af tykkelsen af ​​kredsløbssubstratet. For tyndere underlag er ledertab hovedkomponenten. Af mange grunde er det generelt svært at forudsige ledertab nøjagtigt. For eksempel har overfladeruheden af ​​en leder en enorm indflydelse på transmissionskarakteristika af elektromagnetiske bølger. Overfladeruheden af ​​kobberfolie vil ikke kun ændre den elektromagnetiske bølgeudbredelseskonstant for mikrostripkredsløbet, men også øge ledertabet i kredsløbet. På grund af hudeffekten er indflydelsen af ​​kobberfolieruhed på ledertab også frekvensafhængig. Figur 1 sammenligner indsættelsestabet af 50 ohm mikrostrip transmissionsledningskredsløb baseret på forskellige PCB-tykkelser, som er henholdsvis 6.6 mils og 10 mils.

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.

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.