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

After ignoring the radiation loss below 20GHz, the insertion loss of a microstrip transmission line circuit mainly includes two parts: dielectric loss and conductor loss. The proportion of the two mainly depends on the thickness of the circuit substrate. For thinner substrates, conductor loss is the main component. For many reasons, it is generally difficult to accurately predict conductor loss. For example, the surface roughness of a conductor has a huge influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. The surface roughness of copper foil will not only change the electromagnetic wave propagation constant of the microstrip circuit, but also increase the conductor loss of the circuit. Due to the skin effect, the influence of copper foil roughness on conductor loss is also frequency-dependent. Figure 1 compares the insertion loss of 50 ohm microstrip transmission line circuits based on different PCB thicknesses, which are 6.6 mils and 10 mils, respectively

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

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