Kun suurtaajuinen/mikroaaltoradiotaajuussignaali syötetään laitteeseen PCB piiri, itse piirin ja piirimateriaalin aiheuttama häviö tuottaa väistämättä tietyn määrän lämpöä. Mitä suurempi häviö, sitä suurempi teho kulkee piirilevymateriaalin läpi ja sitä enemmän syntyy lämpöä. Kun piirin käyttölämpötila ylittää nimellisarvon, piiri voi aiheuttaa ongelmia. Esimerkiksi tyypillinen toimintaparametri MOT, joka tunnetaan hyvin piirilevyissä, on suurin käyttölämpötila. Kun käyttölämpötila ylittää MOT-arvon, piirilevypiirin suorituskyky ja luotettavuus ovat uhattuna. Yhdistämällä sähkömagneettista mallintamista ja kokeellisia mittauksia RF-mikroaaltopiirilevyjen lämpöominaisuuksien ymmärtäminen voi auttaa välttämään korkeiden lämpötilojen aiheuttaman piirin suorituskyvyn ja luotettavuuden heikkenemisen.

Ymmärtäminen, kuinka sisäänkytkentähäviö tapahtuu piirimateriaaleissa, auttaa kuvaamaan paremmin tärkeitä tekijöitä, jotka liittyvät korkeataajuisten piirilevyjen lämpösuorituskykyyn. Tässä artikkelissa käytetään mikroliuskasiirtolinjapiiriä esimerkkinä keskustelemaan piirin lämpösuorituskykyyn liittyvistä kompromisseista. Mikroliuskapiirissä, jossa on kaksipuolinen PCB-rakenne, häviöt sisältävät dielektrisen häviön, johdinhäviön, säteilyhäviön ja vuotohäviön. Ero eri häviökomponenttien välillä on suuri. Muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta korkeataajuisten PCB-piirien vuotohäviö on yleensä hyvin pieni. Tässä artikkelissa, koska vuotohäviön arvo on hyvin pieni, se jätetään toistaiseksi huomiotta.

Säteilyhäviö

Säteilyhäviö riippuu monista piiriparametreista, kuten toimintataajuudesta, piirin substraatin paksuudesta, piirilevyn dielektrisyysvakiosta (suhteellinen dielektrisyysvakio tai εr) ja suunnittelusuunnitelmasta. Mitä tulee suunnittelusuunnitelmiin, säteilyhäviö johtuu usein huonosta impedanssin muunnoksesta piirissä tai eroista sähkömagneettisen aallon siirrossa piirissä. Piirin impedanssin muunnosalue sisältää yleensä signaalin syöttöalueen, askelimpedanssipisteen, tynkän ja sovitusverkon. Järkevä piirisuunnittelu voi toteuttaa tasaisen impedanssimuunnoksen, mikä vähentää piirin säteilyhäviöitä. Tietenkin on ymmärrettävä, että on olemassa mahdollisuus impedanssin epäsovitukseen, joka johtaa säteilyhäviöön piirin missä tahansa rajapinnassa. Toimintataajuuden kannalta yleensä mitä suurempi taajuus, sitä suurempi on piirin säteilyhäviö.

Piirimateriaalien säteilyhäviöön liittyvät parametrit ovat pääasiassa dielektrisyysvakio ja piirilevymateriaalin paksuus. Mitä paksumpi piirin substraatti on, sitä suurempi on mahdollisuus aiheuttaa säteilyhäviöitä; mitä pienempi piirilevymateriaalin εr, sitä suurempi on piirin säteilyhäviö. Punnitsemalla materiaalin ominaisuudet kattavasti ohuiden piirien substraattien käyttöä voidaan käyttää keinona kompensoida matalan εr:n piirimateriaalien aiheuttamaa säteilyhäviötä. Piirin substraatin paksuuden ja εr:n vaikutus piirin säteilyhäviöön johtuu siitä, että se on taajuudesta riippuvainen funktio. Kun piirin substraatin paksuus ei ylitä 20 mil ja toimintataajuus on pienempi kuin 20 GHz, piirin säteilyhäviö on erittäin pieni. Koska suurin osa tämän artikkelin piirien mallinnus- ja mittaustaajuuksista on alle 20 GHz, tämän artikkelin keskustelussa jätetään huomiotta säteilyhäviön vaikutus piirin lämmitykseen.

Alle 20 GHz:n säteilyhäviön huomioimatta jättämisen jälkeen mikroliuskasiirtolinjan kytkentähäviö sisältää pääasiassa kaksi osaa: dielektrisen häviön ja johdinhäviön. Näiden kahden osuus riippuu pääasiassa piirin substraatin paksuudesta. Ohuemmilla alustoilla johtimen häviö on pääkomponentti. Monista syistä johtimien häviötä on yleensä vaikea ennustaa tarkasti. Esimerkiksi johtimen pinnan karheudella on valtava vaikutus sähkömagneettisten aaltojen siirto-ominaisuuksiin. Kuparikalvon pinnan karheus ei ainoastaan ​​muuta mikroliuskapiirin sähkömagneettisen aallon etenemisvakiota, vaan lisää myös piirin johtimen häviötä. Skin vaikutuksesta johtuen myös kuparikalvon karheuden vaikutus johdinhäviöön on taajuusriippuvaista. Kuvassa 1 verrataan 50 ohmin mikroliuskasiirtojohtopiirien välityshäviöitä eri PCB-paksuuksien perusteella, jotka ovat 6.6 mil ja 10 mil.

25

Kuva 1. Eripaksuisiin piirilevymateriaaleihin perustuvien 50 ohmin mikroliuskasiirtojohtojen vertailu

Mitatut ja simuloidut tulokset

Kuvan 1 käyrä sisältää mitatut tulokset ja simulaatiotulokset. Simulaatiotulokset saadaan käyttämällä Rogers Corporationin MWI-2010 mikroaaltoimpedanssin laskentaohjelmistoa. MWI-2010-ohjelmisto lainaa analyyttisiä yhtälöitä perinteisissä mikroliuskaviivamallinnuksen alan papereissa. Kuvan 1 testidata on saatu vektoriverkkoanalysaattorin differentiaalipituusmittausmenetelmällä. Kuvasta 1 voidaan nähdä, että kokonaishäviökäyrän simulointitulokset ovat periaatteessa yhdenmukaisia ​​mitattujen tulosten kanssa. Kuvasta voidaan nähdä, että ohuemman piirin johdinhäviö (vasemmalla oleva käyrä vastaa 6.6 mil paksuutta) on pääkomponentti kokonaiskytkentähäviössä. Kun piirin paksuus kasvaa (oikealla olevaa käyrää vastaava paksuus on 10 mil), dielektrinen häviö ja johdinhäviö pyrkivät lähentymään, ja nämä kaksi yhdessä muodostavat kokonaissyöttöhäviön.

Kuvan 1 simulaatiomalli ja varsinaisessa piirissä käytetyt piirimateriaaliparametrit ovat: dielektrisyysvakio 3.66, häviökerroin 0.0037 ja kuparijohtimen pinnan karheus 2.8 um RMS. Kun kuparikalvon pinnan karheutta saman piirimateriaalin alla pienennetään, kuvan 6.6 10 mil ja 1 mil piirien johdinhäviö vähenee merkittävästi; vaikutus ei kuitenkaan ole ilmeinen 20 milin piirissä. Kuvassa 2 esitetään testitulokset kahdesta eri karheudeltaan erilaisesta piirimateriaalista, nimittäin Rogers RO4350B™ -standardipiirimateriaalista, jolla on suuri karheus, ja Rogers RO4350B LoPro™ -piirimateriaalille, jonka karheus on alhainen.

Kuvassa 2 esitetään edut sileän kuparifoliopinnan käyttämisestä mikroliuskapiirien käsittelyyn. Ohuemmilla alustoilla sileän kuparifolion käyttö voi vähentää merkittävästi lisäyshäviöitä. 6.6 milin substraatilla lisäyshäviö pienenee 0.3 dB 20 GHz:llä sileän kuparikalvon käytön ansiosta; 10 milin substraattia pienennetään 0.22 dB:llä 20 GHz:llä; ja 20 mil substraatilla, lisäyshäviö vähenee vain 0.11 dB.

Kuten kuvioissa 1 ja 2 esitetään, mitä ohuempi piirin substraatti on, sitä suurempi on piirin välityshäviö. Tämä tarkoittaa, että kun piiriin syötetään tietty määrä RF-mikroaaltotehoa, mitä ohuempi piiri tuottaa enemmän lämpöä. Kun piirin lämmitystä punnitaan kattavasti, toisaalta ohuempi piiri tuottaa enemmän lämpöä kuin paksu piiri suurilla tehotasoilla, mutta toisaalta ohuemmalla piirillä voidaan saada tehokkaampi lämpövirtaus jäähdytyselementin läpi. Pidä lämpötila suhteellisen alhaisena.

Piirin lämmitysongelman ratkaisemiseksi ideaalisella ohuella piirillä tulisi olla seuraavat ominaisuudet: piirimateriaalin pieni häviökerroin, sileä kupariohut pinta, alhainen εr ja korkea lämmönjohtavuus. Verrattuna korkean εr:n piirimateriaaliin saman impedanssin johtimen leveys, joka saadaan alhaisen εr:n olosuhteissa, voi olla suurempi, mikä on edullista piirin johdinhäviön vähentämiseksi. Piirin lämmönjohtavuuden näkökulmasta, vaikka useimmilla korkeataajuisilla PCB-piirisubstraateilla on erittäin huono lämmönjohtavuus suhteessa johtimiin, piirimateriaalien lämmönjohtavuus on silti erittäin tärkeä parametri.

Aiemmissa artikkeleissa on käsitelty paljon piirien substraattien lämmönjohtavuudesta, ja tässä artikkelissa lainataan joitain tuloksia ja tietoja aikaisemmista artikkeleista. Esimerkiksi seuraava yhtälö ja kuva 3 auttavat ymmärtämään PCB-piirimateriaalien lämpösuorituskykyyn liittyviä tekijöitä. Yhtälössä k on lämmönjohtavuus (W/m/K), A on pinta-ala, TH on lämmönlähteen lämpötila, TC on kylmän lähteen lämpötila ja L on lämmönlähteen ja lämmönlähteen välinen etäisyys. kylmän lähde.