Kada se visokofrekventni/mikrovalni radiofrekvencijski signal ubaci u PCB krug, gubitak uzrokovan samim krugom i materijalom kruga neizbježno će generirati određenu količinu topline. Što je veći gubitak, to je veća snaga koja prolazi kroz PCB materijal i veća je toplina koja se stvara. Kada radna temperatura kruga prijeđe nazivnu vrijednost, krug može uzrokovati neke probleme. Na primjer, tipični radni parametar MOT, koji je dobro poznat u PCB-ima, je maksimalna radna temperatura. Kada radna temperatura prijeđe MOT, performanse i pouzdanost sklopa PCB-a bit će ugroženi. Kombinacijom elektromagnetskog modeliranja i eksperimentalnih mjerenja, razumijevanje toplinskih karakteristika RF mikrovalnih PCB-a može pomoći u izbjegavanju degradacije performansi kruga i degradacije pouzdanosti uzrokovane visokim temperaturama.

Razumijevanje kako dolazi do gubitka umetanja u materijalima sklopova pomaže boljem opisu važnih čimbenika koji se odnose na toplinske performanse visokofrekventnih PCB krugova. Ovaj će članak uzeti mikrotrakasti sklop dalekovoda kao primjer za raspravu o kompromisima povezanim s toplinskom izvedbom kruga. U mikrotrakastom krugu s dvostranom PCB strukturom, gubici uključuju dielektrične gubitke, gubitak vodiča, gubitak zračenja i gubitak zbog curenja. Razlika između različitih komponenti gubitka je velika. Uz nekoliko iznimaka, gubitak zbog curenja visokofrekventnih PCB sklopova općenito je vrlo nizak. U ovom članku, budući da je vrijednost gubitka zbog curenja vrlo niska, za sada će se zanemariti.

Gubitak zračenja

Gubitak zračenja ovisi o mnogim parametrima kruga kao što su radna frekvencija, debljina podloge kruga, dielektrična konstanta PCB-a (relativna dielektrična konstanta ili εr) i plan dizajna. Što se tiče projektnih shema, gubitak zračenja često proizlazi iz loše transformacije impedancije u krugu ili razlika u prijenosu elektromagnetskih valova u krugu. Područje transformacije impedancije kruga obično uključuje područje ulaznog signala, točku impedancije koraka, stub i mrežu za podudaranje. Razuman dizajn kruga može ostvariti glatku transformaciju impedancije, čime se smanjuje gubitak radijacije kruga. Naravno, treba shvatiti da postoji mogućnost neusklađenosti impedancije koja dovodi do gubitka zračenja na bilo kojem sučelju kruga. Sa stajališta radne frekvencije, obično što je frekvencija veća, to je veći gubitak zračenja kruga.

Parametri materijala sklopova koji se odnose na gubitak zračenja uglavnom su dielektrična konstanta i debljina PCB materijala. Što je podloga kruga deblja, veća je mogućnost gubitka radijacije; što je niži εr materijala PCB-a, veći je gubitak zračenja kruga. Sveobuhvatno vagajući karakteristike materijala, upotreba supstrata tankog kruga može se koristiti kao način nadoknađivanja gubitka zračenja uzrokovanog materijalima kruga s niskim εr. Utjecaj debljine podloge kruga i εr na gubitak zračenja kruga je zato što je to funkcija ovisna o frekvenciji. Kada debljina podloge kruga ne prelazi 20 mil, a radna frekvencija je niža od 20 GHz, gubitak zračenja kruga je vrlo nizak. Budući da je većina frekvencija modeliranja i mjerenja krugova u ovom članku niža od 20 GHz, rasprava u ovom članku zanemarit će utjecaj gubitka zračenja na grijanje kruga.

Nakon zanemarivanja gubitka radijacije ispod 20 GHz, gubitak umetanja mikrotrakastog prijenosnog kruga uglavnom uključuje dva dijela: dielektrični gubitak i gubitak vodiča. Udio njih dvoje uglavnom ovisi o debljini podloge kruga. Za tanje podloge gubitak vodiča je glavna komponenta. Iz mnogo razloga općenito je teško točno predvidjeti gubitak vodiča. Na primjer, hrapavost površine vodiča ima veliki utjecaj na karakteristike prijenosa elektromagnetskih valova. Hrapavost površine bakrene folije ne samo da će promijeniti konstantu širenja elektromagnetskih valova mikrotrakastog kruga, već će također povećati gubitak vodiča u krugu. Zbog skin efekta, utjecaj hrapavosti bakrene folije na gubitak vodiča također ovisi o frekvenciji. Slika 1 uspoređuje gubitak umetanja mikrotrakastih krugova dalekovoda od 50 ohma na temelju različitih debljina PCB-a, koje su 6.6 mils odnosno 10 mils.

25

Slika 1. Usporedba mikrotrakastih dalekovodnih krugova od 50 ohma na bazi PCB materijala različitih debljina

Mjereni i simulirani rezultati

Krivulja na slici 1 sadrži rezultate mjerenja i rezultate simulacije. Rezultati simulacije dobiveni su korištenjem softvera za izračun mikrovalne impedancije tvrtke Rogers Corporation MWI-2010. Softver MWI-2010 citira analitičke jednadžbe u klasičnim radovima iz područja modeliranja mikrotrakastih linija. Podaci ispitivanja na slici 1. dobiveni su metodom mjerenja diferencijalne duljine vektorskog mrežnog analizatora. Iz slike 1. može se vidjeti da su rezultati simulacije krivulje ukupnih gubitaka u osnovi konzistentni s izmjerenim rezultatima. Iz slike se može vidjeti da je gubitak vodiča tanjeg kruga (krivulja lijevo odgovara debljini od 6.6 mil) glavna komponenta ukupnog gubitka umetanja. Kako se debljina kruga povećava (debljina koja odgovara krivulji na desnoj strani je 10 mil), dielektrični gubici i gubici vodiča imaju tendenciju približavanja, a to dvoje zajedno čini ukupni gubitak umetanja.

Simulacijski model na slici 1 i parametri materijala sklopa korišteni u stvarnom krugu su: dielektrična konstanta 3.66, faktor gubitka 0.0037 i hrapavost površine bakrenog vodiča 2.8 um RMS. Kada se hrapavost površine bakrene folije ispod istog materijala kruga smanji, gubitak vodiča u krugovima od 6.6 mil i 10 mil na slici 1 će se značajno smanjiti; međutim, učinak nije očit za krug od 20 mil. Slika 2 prikazuje rezultate ispitivanja dva materijala kruga različite hrapavosti, odnosno Rogers RO4350B™ standardnog materijala kruga visoke hrapavosti i Rogers RO4350B LoPro™ materijala za krugove s malom hrapavošću.

Slika 2 prikazuje prednosti korištenja glatke površine bakrene folije za obradu mikrotrakastih krugova. Za tanje podloge, korištenje glatke bakrene folije može značajno smanjiti gubitak umetanja. Za supstrat od 6.6 mil, gubitak umetanja smanjen je za 0.3 dB na 20 GHz zbog upotrebe glatke bakrene folije; supstrat od 10 mil je smanjen za 0.22 dB na 20 GHz; i supstrata od 20 mil, gubitak umetanja je smanjen samo za 0.11 dB.

Kao što je prikazano na slici 1 i slici 2, što je tanji supstrat kruga, to je veći gubitak umetanja kruga. To znači da kada se krug napaja određenom količinom RF mikrovalne snage, što je tanji krug će stvarati više topline. Kada se sveobuhvatno vaga problem grijanja kruga, s jedne strane, tanji krug stvara više topline od debelog kruga pri visokim razinama snage, ali s druge strane, tanji krug može postići učinkovitiji protok topline kroz hladnjak. Održavajte temperaturu relativno niskom.

Kako bi se riješio problem grijanja kruga, idealni tanki krug trebao bi imati sljedeće karakteristike: nizak faktor gubitka materijala kruga, glatku bakrenu tanku površinu, nizak εr i visoku toplinsku vodljivost. U usporedbi s materijalom kruga s visokim εr, širina vodiča iste impedancije dobivena pod uvjetom niskog εr može biti veća, što je korisno za smanjenje gubitka vodiča u krugu. Iz perspektive odvođenja topline kruga, iako većina visokofrekventnih PCB supstrata krugova ima vrlo lošu toplinsku vodljivost u odnosu na vodiče, toplinska vodljivost materijala kruga je još uvijek vrlo važan parametar.

Mnogo rasprava o toplinskoj vodljivosti supstrata krugova razrađeno je u ranijim člancima, a ovaj će članak citirati neke rezultate i informacije iz ranijih članaka. Na primjer, sljedeća jednadžba i slika 3 su od pomoći za razumijevanje čimbenika koji se odnose na toplinske performanse materijala PCB sklopova. U jednadžbi je k toplinska vodljivost (W/m/K), A je površina, TH je temperatura izvora topline, TC je temperatura izvora hladnoće, a L je udaljenost između izvora topline i izvor hladnoće.