Lorsque le signal radiofréquence haute fréquence/micro-ondes est introduit dans le PCB circuit, la perte causée par le circuit lui-même et le matériau du circuit générera inévitablement une certaine quantité de chaleur. Plus la perte est importante, plus la puissance passant à travers le matériau PCB est élevée et plus la chaleur générée est importante. Lorsque la température de fonctionnement du circuit dépasse la valeur nominale, le circuit peut causer des problèmes. Par exemple, le paramètre de fonctionnement typique MOT, bien connu dans les PCB, est la température de fonctionnement maximale. Lorsque la température de fonctionnement dépasse le MOT, les performances et la fiabilité du circuit PCB seront menacées. Grâce à la combinaison de la modélisation électromagnétique et des mesures expérimentales, la compréhension des caractéristiques thermiques des circuits imprimés à micro-ondes RF peut aider à éviter la dégradation des performances des circuits et la dégradation de la fiabilité causées par les températures élevées.

Comprendre comment la perte d’insertion se produit dans les matériaux des circuits permet de mieux décrire les facteurs importants liés aux performances thermiques des circuits PCB haute fréquence. Cet article prendra le circuit de ligne de transmission microruban comme exemple pour discuter des compromis liés aux performances thermiques du circuit. Dans un circuit microruban avec une structure PCB double face, les pertes incluent la perte diélectrique, la perte de conducteur, la perte de rayonnement et la perte de fuite. La différence entre les différentes composantes de perte est grande. À quelques exceptions près, la perte de fuite des circuits PCB haute fréquence est généralement très faible. Dans cet article, étant donné que la valeur de perte de fuite est très faible, elle sera ignorée pour le moment.

Perte de rayonnement

La perte de rayonnement dépend de nombreux paramètres du circuit tels que la fréquence de fonctionnement, l’épaisseur du substrat du circuit, la constante diélectrique du PCB (constante diélectrique relative ou r) et le plan de conception. En ce qui concerne les schémas de conception, la perte de rayonnement provient souvent d’une mauvaise transformation d’impédance dans le circuit ou de différences de transmission des ondes électromagnétiques dans le circuit. La zone de transformation d’impédance du circuit comprend généralement la zone d’alimentation du signal, le point d’impédance de pas, le tronçon et le réseau d’adaptation. Une conception de circuit raisonnable peut réaliser une transformation d’impédance en douceur, réduisant ainsi la perte de rayonnement du circuit. Bien entendu, il faut savoir qu’il existe une possibilité de désadaptation d’impédance entraînant une perte de rayonnement à n’importe quelle interface du circuit. Du point de vue de la fréquence de fonctionnement, généralement plus la fréquence est élevée, plus la perte de rayonnement du circuit est importante.

Les paramètres des matériaux de circuit liés à la perte de rayonnement sont principalement la constante diélectrique et l’épaisseur du matériau PCB. Plus le substrat du circuit est épais, plus la possibilité de provoquer une perte de rayonnement est grande ; plus le εr du matériau PCB est faible, plus la perte de rayonnement du circuit est importante. Pesant globalement les caractéristiques des matériaux, l’utilisation de substrats de circuit minces peut être utilisée comme moyen de compenser la perte de rayonnement causée par les matériaux de circuit à faible r. L’influence de l’épaisseur du substrat du circuit et de r sur la perte de rayonnement du circuit est due au fait qu’il s’agit d’une fonction dépendante de la fréquence. Lorsque l’épaisseur du substrat du circuit ne dépasse pas 20 mil et que la fréquence de fonctionnement est inférieure à 20 GHz, la perte de rayonnement du circuit est très faible. Étant donné que la plupart des fréquences de modélisation et de mesure des circuits dans cet article sont inférieures à 20 GHz, la discussion dans cet article ignorera l’influence de la perte de rayonnement sur le chauffage du circuit.

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

Résultats mesurés et simulés

La courbe de la figure 1 contient les résultats mesurés et les résultats de simulation. Les résultats de simulation sont obtenus à l’aide du logiciel de calcul d’impédance hyperfréquence MWI-2010 de Rogers Corporation. Le logiciel MWI-2010 cite les équations analytiques des articles classiques dans le domaine de la modélisation des lignes microruban. Les données de test de la figure 1 sont obtenues par la méthode de mesure de longueur différentielle d’un analyseur de réseau vectoriel. On peut voir sur la figure 1 que les résultats de simulation de la courbe de perte totale sont fondamentalement cohérents avec les résultats mesurés. On peut voir sur la figure que la perte de conducteur du circuit plus mince (la courbe de gauche correspond à une épaisseur de 6.6 mil) est la principale composante de la perte d’insertion totale. Au fur et à mesure que l’épaisseur du circuit augmente (l’épaisseur correspondant à la courbe de droite est de 10 mil), la perte diélectrique et la perte de conducteur ont tendance à se rapprocher, et les deux constituent ensemble la perte d’insertion totale.

Le modèle de simulation de la figure 1 et les paramètres de matériau du circuit utilisés dans le circuit réel sont : la constante diélectrique 3.66, le facteur de perte 0.0037 et la rugosité de la surface du conducteur en cuivre 2.8 um RMS. Lorsque la rugosité de surface de la feuille de cuivre sous le même matériau de circuit est réduite, la perte de conducteur des circuits de 6.6 mil et 10 mil de la figure 1 sera considérablement réduite ; cependant, l’effet n’est pas évident pour le circuit de 20 mil. La figure 2 montre les résultats des tests de deux matériaux de circuit avec une rugosité différente, à savoir le matériau de circuit standard Rogers RO4350B™ à haute rugosité et le matériau de circuit Rogers RO4350B LoPro™ à faible rugosité.

Comme le montrent les figures 1 et 2, plus le substrat du circuit est fin, plus la perte d’insertion du circuit est élevée. Cela signifie que lorsque le circuit est alimenté avec une certaine quantité de puissance micro-ondes RF, plus le circuit est fin générera plus de chaleur. Lorsque l’on évalue globalement la question du chauffage du circuit, d’une part, un circuit plus fin génère plus de chaleur qu’un circuit épais à des niveaux de puissance élevés, mais d’autre part, un circuit plus fin peut obtenir un flux de chaleur plus efficace à travers le dissipateur thermique. Gardez la température relativement basse.

Afin de résoudre le problème de chauffage du circuit, le circuit mince idéal doit avoir les caractéristiques suivantes : faible facteur de perte du matériau du circuit, surface mince en cuivre lisse, faible r et conductivité thermique élevée. Par rapport au matériau de circuit de r élevé, la largeur de conducteur de la même impédance obtenue dans des conditions de r faible peut être plus grande, ce qui est bénéfique pour réduire la perte de conducteur du circuit. Du point de vue de la dissipation thermique des circuits, bien que la plupart des substrats de circuits PCB haute fréquence aient une très mauvaise conductivité thermique par rapport aux conducteurs, la conductivité thermique des matériaux des circuits reste un paramètre très important.

De nombreuses discussions sur la conductivité thermique des substrats de circuits ont été élaborées dans des articles précédents, et cet article citera certains résultats et informations d’articles précédents. Par exemple, l’équation suivante et la figure 3 sont utiles pour comprendre les facteurs liés aux performances thermiques des matériaux des circuits PCB. Dans l’équation, k est la conductivité thermique (W/m/K), A est la surface, TH est la température de la source de chaleur, TC est la température de la source froide et L est la distance entre la source de chaleur et la source froide.