När den högfrekventa/mikrovågsradiofrekvenssignalen matas in i PCB kretsen kommer förlusten som orsakas av själva kretsen och kretsmaterialet oundvikligen att generera en viss mängd värme. Ju större förlust, desto högre effekt passerar genom PCB-materialet, och desto större värme genereras. När kretsens driftstemperatur överstiger märkvärdet kan kretsen orsaka vissa problem. Till exempel är den typiska driftsparametern MOT, som är välkänd inom PCB, den maximala driftstemperaturen. När driftstemperaturen överstiger MOT, kommer prestanda och tillförlitlighet hos PCB-kretsen att hotas. Genom kombinationen av elektromagnetisk modellering och experimentella mätningar kan förståelse av de termiska egenskaperna hos RF-mikrovågskretskort hjälpa till att undvika försämring av kretsprestanda och försämring av tillförlitlighet orsakad av höga temperaturer.

Att förstå hur insättningsförlust uppstår i kretsmaterial hjälper till att bättre beskriva de viktiga faktorerna relaterade till den termiska prestandan hos högfrekventa PCB-kretsar. Den här artikeln kommer att ta mikrostriptransmissionsledningskretsen som ett exempel för att diskutera avvägningarna relaterade till kretsens termiska prestanda. I en mikrostripkrets med dubbelsidig PCB-struktur inkluderar förluster dielektriska förluster, ledarförluster, strålningsförluster och läckageförluster. Skillnaden mellan de olika förlustkomponenterna är stor. Med några få undantag är läckageförlusten hos högfrekventa PCB-kretsar i allmänhet mycket låg. I denna artikel, eftersom läckageförlustvärdet är mycket lågt, kommer det att ignoreras tills vidare.

Strålningsförlust

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.

Parametrarna för kretsmaterial relaterade till strålningsförlust är huvudsakligen dielektrisk konstant och PCB-materialtjocklek. Ju tjockare kretssubstratet är, desto större är möjligheten att orsaka strålningsförlust; ju lägre εr PCB-materialet har, desto större är strålningsförlusten i kretsen. Genom att övergripande väga materialegenskaper, kan användningen av tunna kretssubstrat användas som ett sätt att kompensera för strålningsförlusten som orsakas av kretsmaterial med låg εr. Inverkan av kretssubstrattjocklek och εr på kretsstrålningsförlust beror på att det är en frekvensberoende funktion. När tjockleken på kretssubstratet inte överstiger 20 mil och arbetsfrekvensen är lägre än 20 GHz, är strålningsförlusten för kretsen mycket låg. Eftersom de flesta av kretsmodellerings- och mätfrekvenserna i den här artikeln är lägre än 20GHz, kommer diskussionen i denna artikel att ignorera påverkan av strålningsförlust på kretsuppvärmning.

Efter att ha ignorerat strålningsförlusten under 20GHz, inkluderar insättningsförlusten av en mikrostrip-transmissionsledningskrets huvudsakligen två delar: dielektrisk förlust och ledarförlust. Andelen av de två beror huvudsakligen på tjockleken på kretssubstratet. För tunnare substrat är ledarförlust huvudkomponenten. Av många anledningar är det i allmänhet svårt att exakt förutsäga ledarförlust. Till exempel har ytjämnheten hos en ledare ett stort inflytande på överföringsegenskaperna hos elektromagnetiska vågor. Ytråheten hos kopparfolien kommer inte bara att förändra den elektromagnetiska vågutbredningskonstanten för mikrostripkretsen, utan också öka ledarförlusten i kretsen. På grund av hudeffekten är kopparfoliens inverkan på ledarförlusten också frekvensberoende. Figur 1 jämför insättningsförlusten för 50 ohm mikrostrip transmissionsledningskretsar baserat på olika PCB-tjocklekar, som är 6.6 mils respektive 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.

För att lösa kretsens uppvärmningsproblem bör den ideala tunna kretsen ha följande egenskaper: låg förlustfaktor för kretsmaterialet, slät koppar tunn yta, låg εr och hög värmeledningsförmåga. Jämfört med kretsmaterialet med hög εr kan ledarbredden för samma impedans som erhålls under villkoret med låg εr vara större, vilket är fördelaktigt för att minska ledarförlusten i kretsen. Ur kretsens värmeavledningsperspektiv, även om de flesta högfrekventa PCB-kretssubstrat har mycket dålig värmeledningsförmåga i förhållande till ledare, är värmeledningsförmågan hos kretsmaterial fortfarande en mycket viktig parameter.

Många diskussioner om den termiska konduktiviteten hos kretssubstrat har utvecklats i tidigare artiklar, och den här artikeln kommer att citera några resultat och information från tidigare artiklar. Till exempel är följande ekvation och figur 3 till hjälp för att förstå faktorerna relaterade till den termiska prestandan hos PCB-kretsmaterial. I ekvationen är k värmeledningsförmågan (W/m/K), A är arean, TH är värmekällans temperatur, TC är kylkällans temperatur och L är avståndet mellan värmekällan och den kalla källan.