Ko se visokofrekvenčni/mikrovalovni radiofrekvenčni signal dovaja v PCB vezje, bo izguba, ki jo povzroči sam vezje in material vezja, neizogibno ustvarila določeno količino toplote. Večja kot je izguba, večja je moč, ki prehaja skozi material PCB, in večja je ustvarjena toplota. Ko delovna temperatura vezja preseže nazivno vrednost, lahko vezje povzroči nekaj težav. Na primer, tipičen obratovalni parameter MOT, ki je dobro znan v PCB-jih, je najvišja delovna temperatura. Ko delovna temperatura preseže MOT, bosta zmogljivost in zanesljivost vezja PCB ogrožena. S kombinacijo elektromagnetnega modeliranja in eksperimentalnih meritev lahko razumevanje toplotnih značilnosti RF mikrovalovnih PCB-jev pomaga preprečiti poslabšanje zmogljivosti vezja in poslabšanje zanesljivosti zaradi visokih temperatur.

Razumevanje, kako nastane izguba vnosa v materialih vezja, pomaga bolje opisati pomembne dejavnike, povezane s toplotno zmogljivostjo visokofrekvenčnih vezij PCB. Ta članek bo vzel mikrotrakasto vezje za prenos kot primer za razpravo o kompromisih, povezanih s toplotno zmogljivostjo vezja. V mikrotrakastem vezju z dvostransko strukturo PCB izgube vključujejo dielektrične izgube, izgubo prevodnika, izgubo sevanja in izgubo zaradi puščanja. Razlika med različnimi komponentami izgube je velika. Z nekaj izjemami je izguba zaradi puščanja visokofrekvenčnih PCB vezij na splošno zelo majhna. V tem članku, ker je vrednost izgube zaradi puščanja zelo nizka, jo bomo zaenkrat prezrli.

Izguba sevanja

Izguba sevanja je odvisna od številnih parametrov vezja, kot so delovna frekvenca, debelina substrata vezja, dielektrična konstanta PCB (relativna dielektrična konstanta ali εr) in načrt načrtovanja. Kar zadeva načrtovalne sheme, izguba sevanja pogosto izvira iz slabe transformacije impedance v vezju ali razlik v prenosu elektromagnetnih valov v vezju. Območje preoblikovanja impedance vezja običajno vključuje območje dovoda signala, točko stopnične impedance, zabod in ujemajoče se omrežje. Razumna zasnova vezja lahko doseže gladko transformacijo impedance in s tem zmanjša izgubo sevanja v vezju. Seveda se je treba zavedati, da obstaja možnost neusklajenosti impedance, ki vodi do izgube sevanja na katerem koli vmesniku vezja. Z vidika delovne frekvence običajno večja kot je frekvenca, večja je izguba sevanja vezja.

Parametri materialov vezja, povezani z izgubo sevanja, so predvsem dielektrična konstanta in debelina materiala PCB. Debelejši kot je substrat vezja, večja je možnost povzročitve izgube sevanja; nižji kot je εr materiala PCB, večja je izguba sevanja v vezju. Pri celovitem tehtanju značilnosti materiala se lahko uporaba substratov tankega vezja uporabi kot način za izravnavo izgube sevanja, ki jo povzročajo materiali vezja z nizkim εr. Vpliv debeline podlage vezja in εr na izgubo sevanja vezja je zato, ker je to frekvenčno odvisna funkcija. Ko debelina substrata vezja ne presega 20 mil in je delovna frekvenca nižja od 20 GHz, je izguba sevanja vezja zelo majhna. Ker je večina modelnih in merilnih frekvenc v tem članku nižja od 20 GHz, bo razprava v tem članku prezrla vpliv izgube sevanja na ogrevanje vezja.

Če ne upoštevamo izgube sevanja pod 20 GHz, vnosna izguba vezja mikrotračnega prenosnega voda v glavnem vključuje dva dela: dielektrično izgubo in izgubo prevodnika. Delež obeh je v glavnem odvisen od debeline podlage vezja. Pri tanjših podlagah je izguba prevodnika glavna komponenta. Iz številnih razlogov je na splošno težko natančno predvideti izgubo prevodnika. Na primer, hrapavost površine prevodnika ima velik vpliv na lastnosti prenosa elektromagnetnih valov. Površinska hrapavost bakrene folije ne bo spremenila le konstante širjenja elektromagnetnega valovanja mikrotrakastega vezja, ampak tudi povečala izgubo prevodnika v vezju. Zaradi skin efekta je vpliv hrapavosti bakrene folije na izgubo prevodnika tudi frekvenčno odvisen. Na sliki 1 je primerjana vnosna izguba 50 ohmskih mikrotračnih daljnovodov, ki temeljijo na različnih debelinah PCB, ki znašajo 6.6 mil oziroma 10 mils.

25

Slika 1. Primerjava 50 ohmskih mikrotrakovnih daljnovodov na osnovi PCB materialov različnih debelin

Izmerjeni in simulirani rezultati

Krivulja na sliki 1 vsebuje izmerjene rezultate in rezultate simulacije. Rezultati simulacije so pridobljeni z uporabo programske opreme za izračun mikrovalovne impedance podjetja Rogers Corporation MWI-2010. Programska oprema MWI-2010 citira analitične enačbe v klasičnih prispevkih s področja modeliranja mikrotrakastih linij. Testni podatki na sliki 1 so pridobljeni z metodo merjenja diferencialne dolžine vektorskega omrežnega analizatorja. Iz slike 1 je razvidno, da so rezultati simulacije krivulje skupnih izgub v osnovi skladni z izmerjenimi rezultati. Iz slike je razvidno, da je izguba prevodnika tanjšega vezja (krivulja na levi ustreza debelini 6.6 mil) glavna komponenta skupne vstavne izgube. Ko se debelina vezja poveča (debelina, ki ustreza krivulji na desni, je 10 mil), se dielektrična izguba in izguba prevodnika nagibata k približevanju, in oboje skupaj predstavljata celotno vstavno izgubo.

Simulacijski model na sliki 1 in parametri materiala vezja, uporabljeni v dejanskem vezju, so: dielektrična konstanta 3.66, faktor izgube 0.0037 in površinska hrapavost bakrenega prevodnika 2.8 um RMS. Ko se hrapavost površine bakrene folije pod istim materialom vezja zmanjša, se bo izguba prevodnika v vezjih 6.6 mil in 10 mil na sliki 1 znatno zmanjšala; vendar učinek ni očiten za 20 mil vezje. Slika 2 prikazuje rezultate testov dveh materialov za vezje z različno hrapavostjo, in sicer Rogers RO4350B™ standardnega vezja z visoko hrapavostjo in Rogers RO4350B LoPro™ materiala z nizko hrapavostjo.

Slika 2 prikazuje prednosti uporabe gladkega površinskega substrata iz bakrene folije za obdelavo mikrotračnih vezij. Pri tanjših podlagah lahko uporaba gladke bakrene folije znatno zmanjša vstavne izgube. Za substrat 6.6 mil se izguba vstavljanja zmanjša za 0.3 dB pri 20 GHz zaradi uporabe gladke bakrene folije; substrat 10 mil se zmanjša za 0.22 dB pri 20 GHz; in substrata 20 mil, se izguba vstavljanja zmanjša le za 0.11 dB.

Kot je prikazano na sliki 1 in sliki 2, tanjši kot je substrat vezja, večja je vnosna izguba vezja. To pomeni, da ko se vezje napaja z določeno količino RF mikrovalovne moči, tanjši vezje bo ustvarilo več toplote. Ko celovito pretehtamo vprašanje ogrevanja krogotoka, po eni strani tanjši krog ustvari več toplote kot debel krog pri visokih ravneh moči, po drugi strani pa lahko tanjši krog pridobi učinkovitejši toplotni tok skozi hladilno telo. Naj bo temperatura relativno nizka.

Da bi rešili problem ogrevanja vezja, mora imeti idealno tanko vezje naslednje značilnosti: nizek faktor izgube materiala vezja, gladko bakreno tanko površino, nizek εr in visoko toplotno prevodnost. V primerjavi z materialom vezja z visokim εr je lahko širina prevodnika enake impedance, dobljena pod pogojem nizkega εr, večja, kar je koristno za zmanjšanje izgube prevodnika v vezju. Z vidika odvajanja toplote vezja, čeprav ima večina visokofrekvenčnih substratov PCB vezij zelo slabo toplotno prevodnost glede na prevodnike, je toplotna prevodnost materialov vezja še vedno zelo pomemben parameter.

Veliko razprav o toplotni prevodnosti substratov vezja je bilo obdelanih v prejšnjih člankih, ta članek pa bo citiral nekaj rezultatov in informacij iz prejšnjih člankov. Na primer, naslednja enačba in slika 3 sta v pomoč pri razumevanju dejavnikov, povezanih s toplotno zmogljivostjo materialov PCB vezja. V enačbi je k toplotna prevodnost (W/m/K), A je površina, TH je temperatura vira toplote, TC je temperatura vira mraza in L je razdalja med toplotnim virom in vir mraza.