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

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.

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.

Après avoir ignoré la perte de rayonnement en dessous de 20 GHz, la perte d’insertion d’un circuit de ligne de transmission microruban comprend principalement deux parties : la perte diélectrique et la perte de conducteur. La proportion des deux dépend principalement de l’épaisseur du substrat du circuit. Pour les substrats plus minces, la perte de conducteur est le composant principal. Pour de nombreuses raisons, il est généralement difficile de prédire avec précision la perte de conducteur. Par exemple, la rugosité de surface d’un conducteur a une énorme influence sur les caractéristiques de transmission des ondes électromagnétiques. La rugosité de surface de la feuille de cuivre modifiera non seulement la constante de propagation des ondes électromagnétiques du circuit microruban, mais augmentera également la perte de conducteur du circuit. En raison de l’effet de peau, l’influence de la rugosité de la feuille de cuivre sur la perte de conducteur dépend également de la fréquence. La figure 1 compare la perte d’insertion de circuits de ligne de transmission microruban de 50 ohms en fonction de différentes épaisseurs de PCB, qui sont respectivement de 6.6 mils et 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.

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.