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

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.

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.

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.

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.