Когда высокочастотный / микроволновый радиочастотный сигнал подается в печатная плата цепи, потери, вызванные самой цепью и материалом цепи, неизбежно будут выделять определенное количество тепла. Чем больше потери, тем выше мощность, проходящая через материал печатной платы, и тем больше выделяется тепла. Когда рабочая температура цепи превышает номинальное значение, цепь может вызвать некоторые проблемы. Например, типичным рабочим параметром MOT, который хорошо известен в печатных платах, является максимальная рабочая температура. Когда рабочая температура превышает MOT, производительность и надежность схемы печатной платы будут поставлены под угрозу. Благодаря сочетанию электромагнитного моделирования и экспериментальных измерений понимание тепловых характеристик высокочастотных микроволновых печатных плат может помочь избежать ухудшения характеристик схемы и снижения надежности, вызванного высокими температурами.

Понимание того, как возникают вносимые потери в материалах схем, помогает лучше описать важные факторы, связанные с тепловыми характеристиками высокочастотных схем печатных плат. В этой статье мы рассмотрим схему микрополосковой линии передачи в качестве примера, чтобы обсудить компромиссы, связанные с тепловыми характеристиками схемы. В микрополосковой схеме с двусторонней структурой печатной платы потери включают в себя диэлектрические потери, потери в проводнике, радиационные потери и потери на утечку. Разница между разными составляющими потерь велика. За некоторыми исключениями, потери утечки высокочастотных схем печатных плат, как правило, очень низкие. В этой статье, поскольку величина потерь при утечке очень мала, пока она будет проигнорирована.

Радиационная потеря

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.

Параметры материалов схемы, связанные с радиационными потерями, – это в основном диэлектрическая проницаемость и толщина материала печатной платы. Чем толще подложка схемы, тем больше вероятность возникновения радиационных потерь; чем меньше εr материала печатной платы, тем больше радиационные потери в цепи. Всесторонне взвешивая характеристики материала, использование тонких подложек для схем можно использовать как способ компенсировать потери на излучение, вызванные материалами схем с низким εr. Влияние толщины подложки схемы и εr на радиационные потери схемы обусловлено тем, что это функция, зависящая от частоты. Когда толщина подложки схемы не превышает 20 мил, а рабочая частота ниже 20 ГГц, потери на излучение в схеме очень низкие. Поскольку большинство частот моделирования и измерения схем в этой статье ниже 20 ГГц, при обсуждении в этой статье не будет учитываться влияние радиационных потерь на нагрев цепи.

После игнорирования радиационных потерь ниже 20 ГГц вносимые потери микрополосковой линии передачи в основном включают две части: диэлектрические потери и потери в проводнике. Их соотношение в основном зависит от толщины подложки схемы. Для более тонких подложек потери в проводнике являются основным компонентом. По многим причинам, как правило, трудно точно предсказать потери в проводнике. Например, шероховатость поверхности проводника оказывает огромное влияние на характеристики передачи электромагнитных волн. Шероховатость поверхности медной фольги не только изменит постоянную распространения электромагнитных волн микрополосковой схемы, но также увеличит потери в проводнике схемы. Из-за скин-эффекта влияние шероховатости медной фольги на потери в проводнике также зависит от частоты. На рисунке 1 сравниваются вносимые потери в схемах микрополосковых линий передачи с сопротивлением 50 Ом на основе различной толщины печатной платы, которая составляет 6.6 мил и 10 мил соответственно.

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.

Чтобы решить проблему нагрева цепи, идеальная тонкая цепь должна иметь следующие характеристики: низкий коэффициент потерь материала цепи, гладкая тонкая поверхность меди, низкий εr и высокая теплопроводность. По сравнению с материалом схемы с высоким εr ширина проводника с таким же полным сопротивлением, полученная при условии низкого εr, может быть больше, что способствует уменьшению потерь в проводнике схемы. С точки зрения рассеивания тепла схемы, хотя большинство подложек высокочастотных схем печатных плат имеют очень низкую теплопроводность по сравнению с проводниками, теплопроводность материалов схемы по-прежнему является очень важным параметром.

В предыдущих статьях подробно обсуждалось множество дискуссий о теплопроводности подложек схем, и в этой статье будут цитироваться некоторые результаты и информация из предыдущих статей. Например, следующее уравнение и рисунок 3 помогают понять факторы, связанные с тепловыми характеристиками материалов печатной платы. В уравнении k – теплопроводность (Вт / м / K), A – площадь, TH – температура источника тепла, TC – температура источника холода, L – расстояние между источником тепла и источник холода.