Quando il segnale di radiofrequenza ad alta frequenza/microonde viene immesso nel PCB circuito, la perdita causata dal circuito stesso e dal materiale del circuito genererà inevitabilmente una certa quantità di calore. Maggiore è la perdita, maggiore è la potenza che passa attraverso il materiale del PCB e maggiore è il calore generato. Quando la temperatura di esercizio del circuito supera il valore nominale, il circuito può causare alcuni problemi. Ad esempio, il tipico parametro operativo MOT, ben noto nei PCB, è la temperatura massima di esercizio. Quando la temperatura di esercizio supera il MOT, le prestazioni e l’affidabilità del circuito PCB saranno minacciate. Attraverso la combinazione di modellazione elettromagnetica e misurazioni sperimentali, la comprensione delle caratteristiche termiche dei PCB a microonde RF può aiutare a evitare il degrado delle prestazioni del circuito e il degrado dell’affidabilità causato dalle alte temperature.

Comprendere come si verifica la perdita di inserzione nei materiali dei circuiti aiuta a descrivere meglio i fattori importanti relativi alle prestazioni termiche dei circuiti PCB ad alta frequenza. Questo articolo prenderà come esempio il circuito della linea di trasmissione a microstriscia per discutere i compromessi relativi alle prestazioni termiche del circuito. In un circuito a microstriscia con una struttura PCB a doppia faccia, le perdite includono perdite dielettriche, perdite di conduttori, perdite di radiazioni e perdite di dispersione. La differenza tra le diverse componenti di perdita è grande. Con poche eccezioni, la perdita di dispersione dei circuiti PCB ad alta frequenza è generalmente molto bassa. In questo articolo, poiché il valore della perdita di dispersione è molto basso, per il momento verrà ignorato.

Perdita di radiazioni

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.

I parametri dei materiali del circuito relativi alla perdita di radiazione sono principalmente la costante dielettrica e lo spessore del materiale PCB. Più spesso è il substrato del circuito, maggiore è la possibilità di causare perdite di radiazioni; minore è il εr del materiale PCB, maggiore è la perdita di radiazione del circuito. Soppesando in modo completo le caratteristiche dei materiali, l’uso di substrati di circuiti sottili può essere utilizzato come un modo per compensare la perdita di radiazioni causata da materiali del circuito a basso εr. L’influenza dello spessore del substrato del circuito e di r sulla perdita di radiazione del circuito è dovuta al fatto che è una funzione dipendente dalla frequenza. Quando lo spessore del substrato del circuito non supera i 20 mil e la frequenza operativa è inferiore a 20 GHz, la perdita di radiazione del circuito è molto bassa. Poiché la maggior parte della modellazione del circuito e delle frequenze di misurazione in questo articolo sono inferiori a 20 GHz, la discussione in questo articolo ignorerà l’influenza della perdita di radiazione sul riscaldamento del circuito.

Dopo aver ignorato la perdita di radiazione al di sotto di 20 GHz, la perdita di inserzione di un circuito di linea di trasmissione a microstriscia comprende principalmente due parti: la perdita dielettrica e la perdita del conduttore. La proporzione dei due dipende principalmente dallo spessore del substrato del circuito. Per substrati più sottili, la perdita del conduttore è il componente principale. Per molte ragioni, è generalmente difficile prevedere con precisione la perdita del conduttore. Ad esempio, la rugosità superficiale di un conduttore ha un’enorme influenza sulle caratteristiche di trasmissione delle onde elettromagnetiche. La rugosità superficiale della lamina di rame non solo cambierà la costante di propagazione dell’onda elettromagnetica del circuito a microstriscia, ma aumenterà anche la perdita del conduttore del circuito. A causa dell’effetto pelle, anche l’influenza della rugosità della lamina di rame sulla perdita del conduttore dipende dalla frequenza. La Figura 1 confronta la perdita di inserzione di circuiti di linea di trasmissione a microstriscia da 50 ohm in base a diversi spessori del PCB, che sono rispettivamente 6.6 mil e 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.

Per risolvere il problema del riscaldamento del circuito, il circuito sottile ideale dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: basso fattore di perdita del materiale del circuito, superficie sottile di rame liscia, basso εr e alta conduttività termica. Rispetto al materiale del circuito con r elevato, la larghezza del conduttore della stessa impedenza ottenuta in condizioni di εr basso può essere maggiore, il che è vantaggioso per ridurre la perdita del conduttore del circuito. Dal punto di vista della dissipazione del calore del circuito, sebbene la maggior parte dei substrati del circuito PCB ad alta frequenza abbia una conduttività termica molto scarsa rispetto ai conduttori, la conduttività termica dei materiali del circuito è ancora un parametro molto importante.

Molte discussioni sulla conduttività termica dei substrati dei circuiti sono state elaborate in articoli precedenti e questo articolo citerà alcuni risultati e informazioni da articoli precedenti. Ad esempio, la seguente equazione e la Figura 3 sono utili per comprendere i fattori relativi alle prestazioni termiche dei materiali dei circuiti PCB. Nell’equazione, k è la conduttività termica (W/m/K), A è l’area, TH è la temperatura della fonte di calore, TC è la temperatura della fonte fredda e L è la distanza tra la fonte di calore e la sorgente fredda.