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

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.

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.

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.

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.