เมื่อสัญญาณความถี่วิทยุความถี่สูง/ไมโครเวฟถูกป้อนเข้า PCB วงจรการสูญเสียที่เกิดจากตัววงจรเองและวัสดุวงจรจะสร้างความร้อนจำนวนหนึ่งอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ยิ่งสูญเสียมากเท่าใด พลังงานที่ไหลผ่านวัสดุ PCB ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น และความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิการทำงานของวงจรเกินค่าที่กำหนด วงจรอาจทำให้เกิดปัญหาบางอย่าง ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์การทำงานทั่วไป MOT ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีใน PCB คืออุณหภูมิการทำงานสูงสุด เมื่ออุณหภูมิในการทำงานสูงกว่า MOT ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของวงจร PCB จะถูกคุกคาม การผสมผสานระหว่างการสร้างแบบจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าและการวัดทดลอง การทำความเข้าใจคุณลักษณะทางความร้อนของ PCB ไมโครเวฟ RF สามารถช่วยหลีกเลี่ยงความเสื่อมของประสิทธิภาพของวงจรและการเสื่อมความน่าเชื่อถือที่เกิดจากอุณหภูมิสูงได้

การทำความเข้าใจว่าการสูญเสียการแทรกซึมเกิดขึ้นในวัสดุวงจรช่วยอธิบายปัจจัยสำคัญที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพทางความร้อนของวงจร PCB ความถี่สูงได้ดียิ่งขึ้น บทความนี้จะใช้วงจรสายส่งไมโครสตริปเป็นตัวอย่างเพื่อหารือเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพการระบายความร้อนของวงจร ในวงจรไมโครสตริปที่มีโครงสร้าง PCB สองด้าน การสูญเสียรวมถึงการสูญเสียไดอิเล็กตริก การสูญเสียตัวนำ การสูญเสียรังสี และการสูญเสียการรั่วไหล ความแตกต่างระหว่างองค์ประกอบการสูญเสียที่แตกต่างกันนั้นมีขนาดใหญ่ ด้วยข้อยกเว้นบางประการ การสูญเสียการรั่วไหลของวงจร PCB ความถี่สูงโดยทั่วไปจะต่ำมาก ในบทความนี้ เนื่องจากค่าการสูญเสียการรั่วไหลต่ำมาก จะถูกละเว้นในขณะนี้

การสูญเสียรังสี

การสูญเสียการแผ่รังสีขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของวงจรหลายอย่าง เช่น ความถี่ในการทำงาน ความหนาของพื้นผิวของวงจร ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของ PCB (ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์หรือ εr) และแผนการออกแบบ เท่าที่แผนการออกแบบมีความเกี่ยวข้อง การสูญเสียรังสีมักเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ที่ไม่ดีในวงจรหรือความแตกต่างในการส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจร พื้นที่การแปลงอิมพีแดนซ์ของวงจรมักจะรวมถึงพื้นที่ป้อนสัญญาณ จุดอิมพีแดนซ์แบบสเต็ป stub และเครือข่ายที่ตรงกัน การออกแบบวงจรที่เหมาะสมสามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ได้อย่างราบรื่น ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียรังสีของวงจร แน่นอน ควรตระหนักว่ามีความเป็นไปได้ที่อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันซึ่งนำไปสู่การสูญเสียรังสีที่ส่วนต่อประสานใดๆ ของวงจร จากมุมมองของความถี่ในการทำงาน โดยปกติยิ่งความถี่สูงเท่าใด การสูญเสียรังสีของวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

พารามิเตอร์ของวัสดุวงจรที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียรังสีส่วนใหญ่เป็นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและความหนาของวัสดุ PCB ยิ่งพื้นผิวของวงจรหนาขึ้นเท่าใด โอกาสที่จะเกิดการสูญเสียรังสีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยิ่ง εr ของวัสดุ PCB ต่ำเท่าใด การสูญเสียรังสีของวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การชั่งน้ำหนักลักษณะเฉพาะของวัสดุอย่างครอบคลุม การใช้พื้นผิววงจรบางสามารถใช้เป็นวิธีการชดเชยการสูญเสียการแผ่รังสีที่เกิดจากวัสดุวงจร εr ต่ำได้ อิทธิพลของความหนาของพื้นผิวของวงจรและ εr ต่อการสูญเสียการแผ่รังสีของวงจรเนื่องจากเป็นฟังก์ชันที่ขึ้นกับความถี่ เมื่อความหนาของพื้นผิววงจรไม่เกิน 20mil และความถี่ในการทำงานต่ำกว่า 20GHz การสูญเสียรังสีของวงจรจะต่ำมาก เนื่องจากการสร้างแบบจำลองวงจรและความถี่ในการวัดส่วนใหญ่ในบทความนี้ต่ำกว่า 20GHz การอภิปรายในบทความนี้จะไม่สนใจอิทธิพลของการสูญเสียการแผ่รังสีต่อการให้ความร้อนของวงจร

หลังจากละเว้นการสูญเสียการแผ่รังสีที่ต่ำกว่า 20GHz การสูญเสียการแทรกของวงจรสายส่งไมโครสตริปส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน: การสูญเสียอิเล็กทริกและการสูญเสียตัวนำ สัดส่วนของทั้งสองส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความหนาของพื้นผิววงจร สำหรับพื้นผิวที่บางลง การสูญเสียตัวนำเป็นองค์ประกอบหลัก ด้วยเหตุผลหลายประการ โดยทั่วไปจึงเป็นเรื่องยากที่จะคาดการณ์การสูญเสียตัวนำไฟฟ้าอย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ความหยาบผิวของตัวนำมีอิทธิพลอย่างมากต่อลักษณะการส่งสัญญาณของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความหยาบผิวของฟอยล์ทองแดงจะไม่เพียงเปลี่ยนค่าคงที่การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรไมโครสตริป แต่ยังเพิ่มการสูญเสียตัวนำของวงจร เนื่องจากผลกระทบทางผิวหนัง อิทธิพลของความหยาบของฟอยล์ทองแดงต่อการสูญเสียตัวนำจึงขึ้นอยู่กับความถี่ด้วย รูปที่ 1 เปรียบเทียบการสูญเสียการแทรกของวงจรสายส่งไมโครสตริป 50 โอห์มตามความหนาของ PCB ที่แตกต่างกัน ซึ่งเท่ากับ 6.6 mils และ 10 mils ตามลำดับ

25

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบวงจรสายส่งไมโครสตริป 50 โอห์มตามวัสดุ PCB ที่มีความหนาต่างกัน

ผลลัพธ์ที่วัดและจำลอง

เส้นโค้งในรูปที่ 1 ประกอบด้วยผลการวัดและผลการจำลอง ผลการจำลองได้มาจากการใช้ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์ไมโครเวฟ MWI-2010 ของ Rogers Corporation ซอฟต์แวร์ MWI-2010 เสนอราคาสมการการวิเคราะห์ในเอกสารคลาสสิกในด้านการสร้างแบบจำลองเส้นไมโครสตริป ข้อมูลการทดสอบในรูปที่ 1 ได้มาจากวิธีการวัดความยาวส่วนต่างของเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายแบบเวกเตอร์ จากรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าผลการจำลองของเส้นโค้งการสูญเสียทั้งหมดนั้นโดยทั่วไปจะสอดคล้องกับผลที่วัดได้ จากรูปจะเห็นได้ว่าการสูญเสียตัวนำของวงจรทินเนอร์ (เส้นโค้งด้านซ้ายตรงกับความหนา 6.6 ล้าน) เป็นองค์ประกอบหลักของการสูญเสียการแทรกทั้งหมด เมื่อความหนาของวงจรเพิ่มขึ้น (ความหนาที่สอดคล้องกับเส้นโค้งทางด้านขวาคือ 10mil) การสูญเสียอิเล็กทริกและการสูญเสียตัวนำมักจะเข้าใกล้ และทั้งสองรวมกันเป็นการสูญเสียการแทรกทั้งหมด

แบบจำลองจำลองในรูปที่ 1 และพารามิเตอร์วัสดุวงจรที่ใช้ในวงจรจริง ได้แก่ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก 3.66 ปัจจัยการสูญเสีย 0.0037 และความหยาบผิวตัวนำทองแดง 2.8 um RMS เมื่อความหยาบผิวของฟอยล์ทองแดงภายใต้วัสดุวงจรเดียวกันลดลง การสูญเสียตัวนำของวงจร 6.6 mil และ 10 mil ในรูปที่ 1 จะลดลงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ผลที่ได้ไม่ชัดเจนสำหรับวงจร 20 mil รูปที่ 2 แสดงผลการทดสอบของวัสดุวงจรสองชนิดที่มีความหยาบต่างกัน ได้แก่ วัสดุวงจรมาตรฐาน Rogers RO4350B™ ที่มีความหยาบสูงและวัสดุวงจร Rogers RO4350B LoPro™ ที่มีความหยาบต่ำ

รูปที่ 2 แสดงข้อดีของการใช้พื้นผิวฟอยล์ทองแดงเรียบในการประมวลผลวงจรไมโครสตริป สำหรับพื้นผิวที่บางกว่า การใช้ฟอยล์ทองแดงแบบเรียบสามารถลดการสูญเสียการแทรกได้อย่างมาก สำหรับพื้นผิว 6.6mil การสูญเสียการแทรกจะลดลง 0.3 dB ที่ 20GHz เนื่องจากการใช้ฟอยล์ทองแดงเรียบ พื้นผิว 10mil ลดลง 0.22 dB ที่ 20GHz; และพื้นผิว 20mil การสูญเสียการแทรกจะลดลงเพียง 0.11 dB

ดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ยิ่งพื้นผิวของวงจรบางลงเท่าใด การสูญเสียการแทรกของวงจรก็จะยิ่งสูงขึ้น ซึ่งหมายความว่าเมื่อป้อนวงจรด้วยพลังงานไมโครเวฟ RF จำนวนหนึ่ง วงจรที่บางลงจะสร้างความร้อนได้มากขึ้น เมื่อชั่งน้ำหนักปัญหาการทำความร้อนของวงจรอย่างครอบคลุม ด้านหนึ่ง วงจรที่บางกว่าจะสร้างความร้อนมากกว่าวงจรหนาที่ระดับพลังงานสูง แต่ในทางกลับกัน วงจรที่บางกว่าสามารถรับความร้อนที่ไหลผ่านแผงระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า รักษาอุณหภูมิให้ค่อนข้างต่ำ

เพื่อแก้ปัญหาความร้อนของวงจร วงจรบางในอุดมคติควรมีลักษณะดังต่อไปนี้: ปัจจัยการสูญเสียต่ำของวัสดุวงจร พื้นผิวทองแดงบางเรียบ εr ต่ำ และค่าการนำความร้อนสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุวงจรที่มี εr สูง ความกว้างของตัวนำของอิมพีแดนซ์เดียวกันที่ได้รับภายใต้สภาวะของ εr ต่ำอาจมีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดการสูญเสียตัวนำของวงจร จากมุมมองของการกระจายความร้อนของวงจร แม้ว่าพื้นผิววงจร PCB ความถี่สูงส่วนใหญ่จะมีค่าการนำความร้อนต่ำมากเมื่อเทียบกับตัวนำ แต่ค่าการนำความร้อนของวัสดุวงจรยังคงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมาก

บทความก่อนหน้านี้มีการอภิปรายมากมายเกี่ยวกับค่าการนำความร้อนของพื้นผิวของวงจร และบทความนี้จะอ้างอิงผลลัพธ์และข้อมูลบางส่วนจากบทความก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่น สมการต่อไปนี้และรูปที่ 3 มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพทางความร้อนของวัสดุวงจร PCB ในสมการ k คือค่าการนำความร้อน (W/m/K) A คือพื้นที่ TH คืออุณหภูมิของแหล่งความร้อน TC คืออุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความเย็น และ L คือระยะห่างระหว่างแหล่งความร้อนกับ แหล่งความเย็น