כאשר אות תדר רדיו בתדר גבוה/מיקרוגל מוזן לתוך PCB מעגל, האובדן הנגרם מהמעגל עצמו ומחומר המעגל ייצור בהכרח כמות מסוימת של חום. ככל שההפסד גדול יותר, כך ההספק העובר דרך חומר ה-PCB גבוה יותר והחום שנוצר גדול יותר. כאשר טמפרטורת הפעולה של המעגל עולה על הערך המדורג, המעגל עלול לגרום לבעיות מסוימות. לדוגמה, פרמטר ההפעלה האופייני MOT, המוכר היטב ב-PCB, הוא טמפרטורת הפעולה המקסימלית. כאשר טמפרטורת ההפעלה עולה על ה-MOT, הביצועים והאמינות של מעגל ה-PCB יהיו מאוימים. באמצעות השילוב של מודלים אלקטרומגנטיים ומדידות ניסיוניות, הבנת המאפיינים התרמיים של PCB מיקרוגל RF יכולה לעזור למנוע פגיעה בביצועי המעגל ופגיעה באמינות הנגרמת על ידי טמפרטורות גבוהות.

ההבנה כיצד מתרחש אובדן החדרה בחומרי מעגל עוזרת לתאר טוב יותר את הגורמים החשובים הקשורים לביצועים התרמיים של מעגלי PCB בתדר גבוה. מאמר זה ייקח את מעגל קו התמסורת המיקרו-סטריפ כדוגמה כדי לדון בפשרות הקשורות לביצועים התרמיים של המעגל. במעגל מיקרוסטריפ עם מבנה PCB דו צדדי, הפסדים כוללים אובדן דיאלקטרי, אובדן מוליך, אובדן קרינה ואובדן דליפה. ההבדל בין מרכיבי ההפסד השונים הוא גדול. למעט חריגים בודדים, אובדן הדליפה של מעגלי PCB בתדר גבוה הוא בדרך כלל נמוך מאוד. במאמר זה, מכיוון שערך אובדן הדליפה נמוך מאוד, יתעלם ממנו לעת עתה.

אובדן קרינה

אובדן קרינה תלוי בפרמטרים רבים של מעגלים כגון תדר הפעלה, עובי מצע מעגל, קבוע דיאלקטרי PCB (קבוע דיאלקטרי יחסי או εr) ותוכנית עיצוב. בכל הנוגע לתוכניות תכנון, אובדן קרינה נובע לעתים קרובות מהתמרה לקויה של עכבה במעגל או מהבדלים בהעברת גלים אלקטרומגנטיים במעגל. אזור טרנספורמציה של עכבת מעגל כולל בדרך כלל אזור הזנת אות, נקודת עכבת צעד, שקע ורשת תואמת. תכנון מעגל סביר יכול לממש טרנספורמציה חלקה של עכבה, ובכך להפחית את אובדן הקרינה של המעגל. כמובן, יש להבין שקיימת אפשרות של אי התאמה של עכבה המובילה לאובדן קרינה בכל ממשק של המעגל. מנקודת המבט של תדר ההפעלה, בדרך כלל ככל שהתדר גבוה יותר, כך אובדן הקרינה של המעגל גדול יותר.

הפרמטרים של חומרי מעגל הקשורים לאובדן קרינה הם בעיקר קבוע דיאלקטרי ועובי חומר PCB. ככל שמצע המעגל עבה יותר, כך גדלה האפשרות לגרום לאובדן קרינה; ככל שה-εr של חומר ה-PCB נמוך יותר, כך אובדן הקרינה של המעגל גדול יותר. בשקלול מקיף של מאפייני החומר, השימוש במצעי מעגל דק יכול לשמש כדרך לקזז את אובדן הקרינה הנגרם מחומרי מעגל εr נמוכים. ההשפעה של עובי מצע המעגל ו-εr על אובדן קרינת המעגל נובעת מכך שזוהי פונקציה תלוית תדר. כאשר עובי מצע המעגל אינו עולה על 20mil ותדר הפעולה נמוך מ-20GHz, אובדן הקרינה של המעגל נמוך מאוד. מכיוון שרוב תדרי המודלים והמדידה של המעגלים במאמר זה נמוכים מ-20GHz, הדיון במאמר זה יתעלם מהשפעת איבוד הקרינה על חימום המעגל.

לאחר התעלמות מאובדן הקרינה מתחת ל-20GHz, אובדן ההחדרה של מעגל קו תמסורת מיקרו-סטריפ כולל בעיקר שני חלקים: אובדן דיאלקטרי ואובדן מוליך. היחס בין השניים תלוי בעיקר בעובי מצע המעגל. עבור מצעים דקים יותר, אובדן מוליך הוא המרכיב העיקרי. מסיבות רבות, בדרך כלל קשה לחזות במדויק אובדן מוליך. לדוגמה, לחספוס פני השטח של מוליך יש השפעה עצומה על מאפייני השידור של גלים אלקטרומגנטיים. חספוס פני השטח של רדיד נחושת לא רק ישנה את קבוע התפשטות הגל האלקטרומגנטי של מעגל המיקרו-סטריפ, אלא גם יגדיל את אובדן המוליך של המעגל. בשל אפקט העור, ההשפעה של חספוס נייר הנחושת על אובדן המוליך תלויה גם בתדר. איור 1 משווה את אובדן ההחדרה של מעגלי קו תמסורת מיקרו-סטריפ של 50 אוהם בהתבסס על עובי PCB שונים, שהם 6.6 מיל ו-10 מיל, בהתאמה.

25

איור 1. השוואה של מעגלי קו תמסורת מיקרו-סטריפ של 50 אוהם המבוססים על חומרי PCB בעוביים שונים

תוצאות מדודות ומדומות

העקומה באיור 1 מכילה את התוצאות הנמדדות ותוצאות הסימולציה. תוצאות הסימולציה מתקבלות באמצעות תוכנת חישוב עכבת מיקרוגל MWI-2010 של Rogers Corporation. תוכנת MWI-2010 מצטטת את המשוואות האנליטיות במאמרים הקלאסיים בתחום דוגמנות קווי מיקרו-סטריפ. נתוני הבדיקה באיור 1 מתקבלים בשיטת מדידת אורך דיפרנציאלי של מנתח רשת וקטור. ניתן לראות מאיור 1 שתוצאות הסימולציה של עקומת ההפסד הכוללת תואמות בעצם את התוצאות הנמדדות. ניתן לראות מהאיור שאובדן המוליך של המעגל הדק יותר (העקומה משמאל מתאימה לעובי של 6.6 מיל) הוא המרכיב העיקרי של אובדן ההחדרה הכולל. ככל שעובי המעגל גדל (העובי המתאים לעקומה מימין הוא 10mil), ההפסד הדיאלקטרי ואובדן המוליך נוטים להתקרב, והשניים יחד מהווים את אובדן ההחדרה הכולל.

מודל הסימולציה באיור 1 ופרמטרי חומר המעגל המשמשים במעגל בפועל הם: קבוע דיאלקטרי 3.66, מקדם הפסד 0.0037 וחספוס פני השטח של מוליך נחושת 2.8 אום RMS. כאשר חספוס פני השטח של רדיד הנחושת מתחת לאותו חומר מעגל מצטמצם, אובדן המוליך של המעגלים של 6.6 מיל ו-10 מיל באיור 1 יופחת באופן משמעותי; עם זאת, ההשפעה אינה ברורה עבור מעגל 20 מיל. איור 2 מציג את תוצאות הבדיקה של שני חומרי מעגל עם חספוס שונה, כלומר חומר מעגל סטנדרטי של Rogers RO4350B™ עם חספוס גבוה וחומר מעגל של Rogers RO4350B LoPro™ עם חספוס נמוך.

איור 2 מציג את היתרונות של שימוש במצע משטח של רדיד נחושת חלק לעיבוד מעגלי microstrip. עבור מצעים דקים יותר, השימוש בנייר נחושת חלק יכול להפחית משמעותית את אובדן ההחדרה. עבור המצע של 6.6mil, אובדן ההחדרה מופחת ב-0.3 dB ב-20GHz עקב השימוש בנייר נחושת חלק; המצע של 10mil מופחת ב-0.22 dB ב-20GHz; והמצע של 20mil, אובדן ההחדרה מופחת רק ב-0.11 dB.

כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2, ככל שמצע המעגל דק יותר, כך אובדן ההחדרה של המעגל גבוה יותר. המשמעות היא שכאשר המעגל מוזן בכמות מסוימת של כוח מיקרוגל RF, ככל שהמעגל יפיק יותר חום. כאשר שוקלים באופן מקיף את נושא חימום המעגל, מצד אחד, מעגל דק יותר מייצר יותר חום ממעגל עבה ברמות הספק גבוהות, אך מצד שני, מעגל דק יותר יכול להשיג זרימת חום יעילה יותר דרך גוף הקירור. שמור על טמפרטורה נמוכה יחסית.

על מנת לפתור את בעיית החימום של המעגל, המעגל הדק האידיאלי צריך להיות בעל המאפיינים הבאים: מקדם הפסד נמוך של חומר המעגל, משטח דק נחושת חלק, εr נמוך ומוליכות תרמית גבוהה. בהשוואה לחומר המעגל של εr גבוה, רוחב המוליך של אותה עכבה המתקבלת בתנאי εr נמוך יכול להיות גדול יותר, מה שמועיל להפחתת אובדן המוליך של המעגל. מנקודת המבט של פיזור חום במעגל, למרות שלרוב מצעי מעגל PCB בתדר גבוה יש מוליכות תרמית ירודה מאוד ביחס למוליכים, המוליכות התרמית של חומרי המעגל היא עדיין פרמטר חשוב מאוד.

הרבה דיונים על מוליכות תרמית של מצעי מעגל פורטו במאמרים קודמים, ומאמר זה יצטט כמה תוצאות ומידע ממאמרים קודמים. לדוגמה, המשוואה הבאה ואיור 3 מועילות להבנת הגורמים הקשורים לביצועים התרמיים של חומרי מעגל PCB. במשוואה, k היא המוליכות התרמית (W/m/K), A הוא השטח, TH היא הטמפרטורה של מקור החום, TC היא הטמפרטורה של מקור הקור, ו-L הוא המרחק בין מקור החום לבין מקור הקור.