Ketika sinyal frekuensi radio frekuensi tinggi/microwave dimasukkan ke dalam PCB sirkuit, kerugian yang disebabkan oleh sirkuit itu sendiri dan bahan sirkuit pasti akan menghasilkan sejumlah panas. Semakin besar rugi-rugi maka semakin tinggi daya yang melewati bahan PCB, dan semakin besar panas yang dihasilkan. Ketika suhu operasi sirkuit melebihi nilai pengenal, sirkuit dapat menyebabkan beberapa masalah. Misalnya, parameter operasi khas MOT, yang terkenal di PCB, adalah suhu operasi maksimum. Ketika suhu operasi melebihi MOT, kinerja dan keandalan sirkuit PCB akan terancam. Melalui kombinasi pemodelan elektromagnetik dan pengukuran eksperimental, memahami karakteristik termal PCB gelombang mikro RF dapat membantu menghindari penurunan kinerja sirkuit dan penurunan keandalan yang disebabkan oleh suhu tinggi.

Memahami bagaimana kerugian penyisipan terjadi pada bahan sirkuit membantu untuk lebih menggambarkan faktor-faktor penting yang terkait dengan kinerja termal sirkuit PCB frekuensi tinggi. Artikel ini akan mengambil rangkaian saluran transmisi mikrostrip sebagai contoh untuk membahas pertukaran yang terkait dengan kinerja termal rangkaian. Dalam rangkaian mikrostrip dengan struktur PCB dua sisi, kerugian termasuk kehilangan dielektrik, kehilangan konduktor, kehilangan radiasi, dan kehilangan kebocoran. Perbedaan antara komponen kerugian yang berbeda besar. Dengan beberapa pengecualian, kehilangan kebocoran sirkuit PCB frekuensi tinggi umumnya sangat rendah. Dalam artikel ini, karena nilai kehilangan kebocoran sangat rendah, untuk sementara akan diabaikan.

Kehilangan radiasi

Kehilangan radiasi tergantung pada banyak parameter rangkaian seperti frekuensi operasi, ketebalan substrat rangkaian, konstanta dielektrik PCB (konstanta dielektrik relatif atau r) dan rencana desain. Sejauh skema desain yang bersangkutan, kehilangan radiasi sering berasal dari transformasi impedansi miskin di sirkuit atau perbedaan dalam transmisi gelombang elektromagnetik di sirkuit. Area transformasi impedansi sirkuit biasanya mencakup area feed-in sinyal, titik impedansi langkah, stub, dan jaringan pencocokan. Desain sirkuit yang masuk akal dapat mewujudkan transformasi impedansi yang mulus, sehingga mengurangi kehilangan radiasi dari sirkuit. Tentu saja, harus disadari bahwa ada kemungkinan ketidakcocokan impedansi yang menyebabkan hilangnya radiasi pada antarmuka sirkuit mana pun. Dari sudut pandang frekuensi operasi, biasanya semakin tinggi frekuensi, semakin besar kehilangan radiasi dari rangkaian.

Parameter bahan sirkuit yang terkait dengan kehilangan radiasi terutama konstanta dielektrik dan ketebalan bahan PCB. Semakin tebal substrat sirkuit, semakin besar kemungkinan menyebabkan hilangnya radiasi; semakin rendah r bahan PCB, semakin besar kehilangan radiasi sirkuit. Dengan menimbang karakteristik material secara komprehensif, penggunaan substrat sirkuit tipis dapat digunakan sebagai cara untuk mengimbangi kehilangan radiasi yang disebabkan oleh material sirkuit r rendah. Pengaruh ketebalan substrat sirkuit dan r pada kehilangan radiasi sirkuit karena merupakan fungsi yang bergantung pada frekuensi. Ketika ketebalan substrat sirkuit tidak melebihi 20mil dan frekuensi operasi lebih rendah dari 20GHz, kehilangan radiasi sirkuit sangat rendah. Karena sebagian besar pemodelan sirkuit dan frekuensi pengukuran dalam artikel ini lebih rendah dari 20GHz, pembahasan dalam artikel ini akan mengabaikan pengaruh kehilangan radiasi pada pemanasan sirkuit.

Setelah mengabaikan rugi-rugi radiasi di bawah 20GHz, rugi-rugi penyisipan sirkuit saluran transmisi mikrostrip terutama mencakup dua bagian: rugi dielektrik dan rugi konduktor. Proporsi keduanya terutama tergantung pada ketebalan substrat sirkuit. Untuk substrat yang lebih tipis, kehilangan konduktor adalah komponen utama. Karena berbagai alasan, umumnya sulit untuk memprediksi kerugian konduktor secara akurat. Misalnya, kekasaran permukaan konduktor memiliki pengaruh besar pada karakteristik transmisi gelombang elektromagnetik. Kekasaran permukaan foil tembaga tidak hanya akan mengubah konstanta propagasi gelombang elektromagnetik dari rangkaian mikrostrip, tetapi juga meningkatkan hilangnya konduktor dari rangkaian tersebut. Karena efek kulit, pengaruh kekasaran foil tembaga pada kehilangan konduktor juga bergantung pada frekuensi. Gambar 1 membandingkan kerugian penyisipan sirkuit saluran transmisi mikrostrip 50 ohm berdasarkan ketebalan PCB yang berbeda, yaitu masing-masing 6.6 mil dan 10 mil.

25

Gambar 1. Perbandingan sirkuit saluran transmisi mikrostrip 50 ohm berdasarkan bahan PCB dengan ketebalan berbeda

Hasil yang diukur dan disimulasikan

Kurva pada Gambar 1 berisi hasil pengukuran dan hasil simulasi. Hasil simulasi diperoleh dengan menggunakan software perhitungan impedansi gelombang mikro MWI-2010 milik Rogers Corporation. Perangkat lunak MWI-2010 mengutip persamaan analitik dalam makalah klasik di bidang pemodelan garis mikrostrip. Data uji pada Gambar 1 diperoleh dengan metode pengukuran panjang diferensial dari penganalisis jaringan vektor. Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa hasil simulasi kurva total loss pada dasarnya konsisten dengan hasil pengukuran. Dapat dilihat dari gambar bahwa rugi konduktor dari rangkaian yang lebih tipis (kurva di sebelah kiri sesuai dengan ketebalan 6.6 mil) adalah komponen utama dari rugi penyisipan total. Ketika ketebalan sirkuit meningkat (ketebalan yang sesuai dengan kurva di sebelah kanan adalah 10 mil), kerugian dielektrik dan kerugian konduktor cenderung mendekat, dan keduanya bersama-sama membentuk kerugian penyisipan total.

Model simulasi pada Gambar 1 dan parameter bahan rangkaian yang digunakan pada rangkaian sebenarnya adalah: konstanta dielektrik 3.66, faktor kerugian 0.0037, dan kekasaran permukaan konduktor tembaga 2.8 um RMS. Ketika kekasaran permukaan foil tembaga di bawah bahan sirkuit yang sama berkurang, kehilangan konduktor dari sirkuit 6.6 mil dan 10 mil pada Gambar 1 akan berkurang secara signifikan; namun, efeknya tidak jelas untuk sirkuit 20 mil. Gambar 2 menunjukkan hasil pengujian dua bahan rangkaian dengan kekasaran yang berbeda, yaitu bahan rangkaian standar Rogers RO4350B™ dengan kekasaran tinggi dan bahan rangkaian Rogers RO4350B LoPro™ dengan kekasaran rendah.

Gambar 2 menunjukkan keuntungan menggunakan substrat permukaan foil tembaga halus untuk memproses sirkuit mikrostrip. Untuk substrat yang lebih tipis, penggunaan foil tembaga halus dapat secara signifikan mengurangi kerugian penyisipan. Untuk substrat 6.6mil, kerugian penyisipan berkurang 0.3 dB pada 20GHz karena penggunaan foil tembaga halus; substrat 10mil berkurang 0.22 dB pada 20GHz; dan substrat 20mil, insertion loss hanya berkurang 0.11 dB.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2, semakin tipis substrat sirkuit, semakin tinggi kerugian penyisipan sirkuit. Ini berarti bahwa ketika sirkuit diumpankan dengan sejumlah daya gelombang mikro RF, semakin tipis sirkuit akan menghasilkan lebih banyak panas. Ketika menimbang masalah pemanasan sirkuit secara komprehensif, di satu sisi, sirkuit yang lebih tipis menghasilkan lebih banyak panas daripada sirkuit tebal pada tingkat daya tinggi, tetapi di sisi lain, sirkuit yang lebih tipis dapat memperoleh aliran panas yang lebih efektif melalui unit pendingin. Pertahankan suhu relatif rendah.

Untuk mengatasi masalah pemanasan sirkuit, sirkuit tipis yang ideal harus memiliki karakteristik berikut: faktor kerugian rendah dari bahan sirkuit, permukaan tipis tembaga halus, r rendah dan konduktivitas termal tinggi. Dibandingkan dengan bahan rangkaian r tinggi, lebar konduktor dengan impedansi yang sama yang diperoleh pada kondisi r rendah dapat lebih besar, yang bermanfaat untuk mengurangi kerugian konduktor rangkaian. Dari perspektif disipasi panas sirkuit, meskipun sebagian besar substrat sirkuit PCB frekuensi tinggi memiliki konduktivitas termal yang sangat buruk relatif terhadap konduktor, konduktivitas termal bahan sirkuit masih merupakan parameter yang sangat penting.

Banyak diskusi tentang konduktivitas termal substrat sirkuit telah diuraikan dalam artikel sebelumnya, dan artikel ini akan mengutip beberapa hasil dan informasi dari artikel sebelumnya. Misalnya, persamaan berikut dan Gambar 3 sangat membantu untuk memahami faktor-faktor yang terkait dengan kinerja termal bahan rangkaian PCB. Dalam persamaan, k adalah konduktivitas termal (W/m/K), A adalah luas, TH adalah suhu sumber panas, TC adalah suhu sumber dingin, dan L adalah jarak antara sumber panas dan sumber dingin.