जेव्हा उच्च वारंवारता/मायक्रोवेव्ह रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिग्नल मध्ये दिले जाते पीसीबी सर्किट, सर्किटमुळे होणारे नुकसान आणि सर्किट सामग्री अपरिहार्यपणे विशिष्ट प्रमाणात उष्णता निर्माण करेल. जितके जास्त नुकसान होईल तितकी पीसीबी सामग्रीमधून जाणारी उर्जा जास्त असेल आणि उष्णता निर्माण होईल. जेव्हा सर्किटचे ऑपरेटिंग तापमान रेट केलेल्या मूल्यापेक्षा जास्त असते, तेव्हा सर्किटमध्ये काही समस्या उद्भवू शकतात. उदाहरणार्थ, ठराविक ऑपरेटिंग पॅरामीटर MOT, जे PCBs मध्ये सुप्रसिद्ध आहे, कमाल ऑपरेटिंग तापमान आहे. जेव्हा ऑपरेटिंग तापमान एमओटीपेक्षा जास्त असेल, तेव्हा पीसीबी सर्किटची कार्यक्षमता आणि विश्वासार्हता धोक्यात येईल. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक मॉडेलिंग आणि प्रायोगिक मोजमापांच्या संयोजनाद्वारे, RF मायक्रोवेव्ह PCB ची थर्मल वैशिष्ट्ये समजून घेतल्याने उच्च तापमानामुळे सर्किट कार्यक्षमतेतील ऱ्हास आणि विश्वसनीयता ऱ्हास टाळण्यास मदत होऊ शकते.

सर्किट मटेरिअलमध्ये इन्सर्शन लॉस कसे होते हे समजून घेतल्याने उच्च-फ्रिक्वेंसी पीसीबी सर्किट्सच्या थर्मल परफॉर्मन्सशी संबंधित महत्त्वाच्या घटकांचे अधिक चांगल्या प्रकारे वर्णन करण्यात मदत होते. हा लेख सर्किटच्या थर्मल परफॉर्मन्सशी संबंधित ट्रेड-ऑफवर चर्चा करण्यासाठी मायक्रोस्ट्रिप ट्रान्समिशन लाइन सर्किटचे उदाहरण घेईल. दुहेरी बाजू असलेल्या पीसीबी संरचनेसह मायक्रोस्ट्रिप सर्किटमध्ये, डायलेक्ट्रिक लॉस, कंडक्टर लॉस, रेडिएशन लॉस आणि लीकेज लॉस यांचा समावेश होतो. विविध नुकसान घटकांमधील फरक मोठा आहे. काही अपवादांसह, उच्च-फ्रिक्वेंसी पीसीबी सर्किट्सची गळती हानी सामान्यतः खूप कमी असते. या लेखात, गळतीचे नुकसान मूल्य खूपच कमी असल्याने, त्याकडे सध्या दुर्लक्ष केले जाईल.

रेडिएशन नुकसान

रेडिएशन हानी अनेक सर्किट पॅरामीटर्सवर अवलंबून असते जसे की ऑपरेटिंग फ्रिक्वेंसी, सर्किट सब्सट्रेट जाडी, पीसीबी डायलेक्ट्रिक स्थिरांक (रिलेटिव्ह डायलेक्ट्रिक कॉन्स्टंट किंवा εr) आणि डिझाइन योजना. जोपर्यंत डिझाईन योजनांचा संबंध आहे, किरणोत्सर्गाचा तोटा अनेकदा सर्किटमधील खराब प्रतिबाधा परिवर्तन किंवा सर्किटमधील इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्ह ट्रान्समिशनमधील फरकांमुळे होतो. सर्किट प्रतिबाधा परिवर्तन क्षेत्रामध्ये सामान्यतः सिग्नल फीड-इन क्षेत्र, स्टेप इम्पेडन्स पॉइंट, स्टब आणि जुळणारे नेटवर्क समाविष्ट असते. वाजवी सर्किट डिझाईनमुळे गुळगुळीत प्रतिबाधा परिवर्तन लक्षात येऊ शकते, ज्यामुळे सर्किटचे रेडिएशन नुकसान कमी होते. अर्थात, हे लक्षात घेतले पाहिजे की सर्किटच्या कोणत्याही इंटरफेसमध्ये प्रतिबाधा जुळत नसल्यामुळे रेडिएशनचे नुकसान होण्याची शक्यता आहे. ऑपरेटिंग फ्रिक्वेंसीच्या दृष्टिकोनातून, सामान्यत: वारंवारता जितकी जास्त असेल तितकी सर्किटचे रेडिएशन नुकसान.

रेडिएशन हानीशी संबंधित सर्किट सामग्रीचे मापदंड प्रामुख्याने डायलेक्ट्रिक स्थिर आणि पीसीबी सामग्रीची जाडी आहेत. सर्किट सब्सट्रेट जितका जाड असेल तितका रेडिएशन नुकसान होण्याची शक्यता जास्त असते; PCB मटेरिअलचा εr जितका कमी असेल तितका सर्किटचा रेडिएशन हानी जास्त. सर्वसमावेशकपणे सामग्रीच्या वैशिष्ट्यांचे वजन, पातळ सर्किट सब्सट्रेट्सचा वापर कमी εr सर्किट सामग्रीमुळे होणारे रेडिएशन नुकसान भरून काढण्याचा एक मार्ग म्हणून वापरला जाऊ शकतो. सर्किट सब्सट्रेट जाडी आणि εr चा सर्किट रेडिएशन लॉसवर प्रभाव पडतो कारण ते फ्रिक्वेंसी-आश्रित कार्य आहे. जेव्हा सर्किट सब्सट्रेटची जाडी 20mil पेक्षा जास्त नसते आणि ऑपरेटिंग वारंवारता 20GHz पेक्षा कमी असते, तेव्हा सर्किटचे रेडिएशन नुकसान खूपच कमी असते. या लेखातील बहुतेक सर्किट मॉडेलिंग आणि मापन वारंवारता 20GHz पेक्षा कमी असल्याने, या लेखातील चर्चा सर्किट हीटिंगवरील रेडिएशनच्या नुकसानाच्या प्रभावाकडे दुर्लक्ष करेल.

20GHz पेक्षा कमी किरणोत्सर्गाच्या नुकसानाकडे दुर्लक्ष केल्यानंतर, मायक्रोस्ट्रिप ट्रान्समिशन लाइन सर्किटच्या इन्सर्टेशन लॉसमध्ये प्रामुख्याने दोन भाग समाविष्ट असतात: डायलेक्ट्रिक लॉस आणि कंडक्टर लॉस. दोन्हीचे प्रमाण प्रामुख्याने सर्किट सब्सट्रेटच्या जाडीवर अवलंबून असते. पातळ सब्सट्रेट्ससाठी, कंडक्टरचे नुकसान हा मुख्य घटक आहे. अनेक कारणांमुळे, कंडक्टरच्या नुकसानाचा अचूक अंदाज लावणे सामान्यतः कठीण असते. उदाहरणार्थ, कंडक्टरच्या पृष्ठभागाच्या खडबडीचा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींच्या प्रसारण वैशिष्ट्यांवर मोठा प्रभाव असतो. कॉपर फॉइलच्या पृष्ठभागावरील खडबडीतपणामुळे मायक्रोस्ट्रिप सर्किटच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्ह प्रसार स्थिरतेमध्ये बदल होणार नाही तर सर्किटच्या कंडक्टरचे नुकसान देखील वाढेल. त्वचेच्या प्रभावामुळे, कंडक्टरच्या नुकसानावर तांबे फॉइलच्या खडबडीचा प्रभाव देखील वारंवारता-आधारित आहे. आकृती 1 वेगवेगळ्या PCB जाडीवर आधारित 50 ohm मायक्रोस्ट्रीप ट्रान्समिशन लाइन सर्किट्सच्या इन्सर्शन लॉसची तुलना करते, जे अनुक्रमे 6.6 mils आणि 10 mils आहेत.

25

आकृती 1. वेगवेगळ्या जाडीच्या पीसीबी सामग्रीवर आधारित 50 ओम मायक्रोस्ट्रिप ट्रान्समिशन लाइन सर्किट्सची तुलना

मोजलेले आणि नक्कल केलेले परिणाम

आकृती 1 मधील वक्र मध्ये मोजलेले परिणाम आणि सिम्युलेशन परिणाम आहेत. रॉजर्स कॉर्पोरेशनचे MWI-2010 मायक्रोवेव्ह प्रतिबाधा गणना सॉफ्टवेअर वापरून सिम्युलेशन परिणाम प्राप्त केले जातात. MWI-2010 सॉफ्टवेअर मायक्रोस्ट्रिप लाइन मॉडेलिंग क्षेत्रातील क्लासिक पेपर्समधील विश्लेषणात्मक समीकरणे उद्धृत करते. आकृती 1 मधील चाचणी डेटा वेक्टर नेटवर्क विश्लेषकाच्या भिन्न लांबी मापन पद्धतीद्वारे प्राप्त केला जातो. अंजीर 1 वरून हे पाहिले जाऊ शकते की एकूण नुकसान वक्रचे सिम्युलेशन परिणाम मुळात मोजलेल्या परिणामांशी सुसंगत आहेत. आकृतीवरून असे दिसून येते की पातळ सर्किटचे कंडक्टर नुकसान (डावीकडील वक्र 6.6 मिलिच्या जाडीशी संबंधित आहे) एकूण अंतर्भूत नुकसानाचा मुख्य घटक आहे. सर्किटची जाडी जसजशी वाढत जाते (उजवीकडील वक्राशी संबंधित जाडी 10mil आहे), डायलेक्ट्रिक नुकसान आणि कंडक्टरचे नुकसान जवळ येऊ लागते आणि दोन्ही मिळून एकूण अंतर्भूत नुकसान होते.

आकृती 1 मधील सिम्युलेशन मॉडेल आणि वास्तविक सर्किटमध्ये वापरलेले सर्किट मटेरियल पॅरामीटर्स आहेत: डायलेक्ट्रिक कॉन्स्टंट 3.66, लॉस फॅक्टर 0.0037 आणि कॉपर कंडक्टर पृष्ठभाग खडबडीत 2.8 um RMS. जेव्हा समान सर्किट मटेरियल अंतर्गत कॉपर फॉइलची पृष्ठभागाची उग्रता कमी केली जाते, तेव्हा आकृती 6.6 मधील 10 mil आणि 1 mil सर्किट्सचे कंडक्टर नुकसान लक्षणीयरीत्या कमी होईल; तथापि, 20 mil सर्किटसाठी परिणाम स्पष्ट नाही. आकृती 2 भिन्न खडबडीत असलेल्या दोन सर्किट सामग्रीचे चाचणी परिणाम दर्शविते, म्हणजे उच्च खडबडीत रॉजर्स RO4350B™ मानक सर्किट सामग्री आणि कमी खडबडीत Rogers RO4350B LoPro™ सर्किट सामग्री.

आकृती 2 मायक्रोस्ट्रिप सर्किट्सवर प्रक्रिया करण्यासाठी गुळगुळीत कॉपर फॉइल पृष्ठभागाच्या सब्सट्रेटचा वापर करण्याचे फायदे दर्शविते. पातळ सब्सट्रेट्ससाठी, गुळगुळीत तांबे फॉइलचा वापर लक्षणीय प्रमाणात घालण्याचे नुकसान कमी करू शकतो. 6.6mil सब्सट्रेटसाठी, गुळगुळीत कॉपर फॉइलच्या वापरामुळे 0.3GHz वर इन्सर्टेशन लॉस 20 dB ने कमी होतो; 10mil सब्सट्रेट 0.22GHz वर 20 dB ने कमी होते; आणि 20mil सब्सट्रेट, अंतर्भूत नुकसान केवळ 0.11 dB ने कमी होते.

आकृती 1 आणि आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, सर्किट सब्सट्रेट जितका पातळ असेल तितका सर्किटचा इन्सर्शन लॉस जास्त असेल. याचा अर्थ असा की जेव्हा सर्किटला विशिष्ट प्रमाणात आरएफ मायक्रोवेव्ह पॉवर दिली जाते, तेव्हा सर्किट जितके पातळ होईल तितके जास्त उष्णता निर्माण होईल. सर्किट हीटिंगच्या समस्येचे सर्वसमावेशकपणे विचार करताना, एकीकडे, पातळ सर्किट उच्च पॉवर स्तरांवर जाड सर्किटपेक्षा जास्त उष्णता निर्माण करते, परंतु दुसरीकडे, एक पातळ सर्किट हीट सिंकमधून अधिक प्रभावी उष्णता प्रवाह प्राप्त करू शकते. तापमान तुलनेने कमी ठेवा.

सर्किटच्या गरम समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, आदर्श पातळ सर्किटमध्ये खालील वैशिष्ट्ये असणे आवश्यक आहे: सर्किट सामग्रीचे कमी नुकसान घटक, गुळगुळीत तांबे पातळ पृष्ठभाग, कमी εr आणि उच्च थर्मल चालकता. उच्च εr च्या सर्किट मटेरियलच्या तुलनेत, कमी εr च्या स्थितीत मिळवलेल्या समान प्रतिबाधाची कंडक्टर रुंदी मोठी असू शकते, जे सर्किटचे कंडक्टर नुकसान कमी करण्यासाठी फायदेशीर आहे. सर्किट हीट डिसिपेशनच्या दृष्टीकोनातून, जरी बहुतेक उच्च-फ्रिक्वेंसी पीसीबी सर्किट सब्सट्रेट्समध्ये कंडक्टरच्या तुलनेत खूपच खराब थर्मल चालकता असते, तरीही सर्किट सामग्रीची थर्मल चालकता एक अतिशय महत्त्वाचा पॅरामीटर आहे.

सर्किट सब्सट्रेट्सच्या थर्मल चालकतेबद्दल बरीच चर्चा पूर्वीच्या लेखांमध्ये केली गेली आहे आणि हा लेख आधीच्या लेखांमधील काही परिणाम आणि माहिती उद्धृत करेल. उदाहरणार्थ, खालील समीकरण आणि आकृती 3 PCB सर्किट सामग्रीच्या थर्मल कार्यक्षमतेशी संबंधित घटक समजून घेण्यासाठी उपयुक्त आहेत. समीकरणात, k ही थर्मल चालकता आहे (W/m/K), A हे क्षेत्रफळ आहे, TH हे उष्णतेच्या स्त्रोताचे तापमान आहे, TC हे शीत स्त्रोताचे तापमान आहे आणि L हे उष्णतेच्या स्रोतातील अंतर आहे आणि थंड स्रोत.