Khi tín hiệu tần số vô tuyến tần số cao / vi sóng được đưa vào PCB mạch, tổn hao do bản thân mạch và vật liệu làm mạch chắc chắn sẽ sinh ra một lượng nhiệt nhất định. Tổn thất càng lớn, công suất truyền qua vật liệu PCB càng cao và nhiệt lượng tỏa ra càng lớn. Khi nhiệt độ hoạt động của mạch vượt quá giá trị định mức, mạch có thể gây ra một số sự cố. Ví dụ, thông số vận hành điển hình MOT, được biết đến nhiều trong PCB, là nhiệt độ hoạt động tối đa. Khi nhiệt độ hoạt động vượt quá MOT, hiệu suất và độ tin cậy của mạch PCB sẽ bị đe dọa. Thông qua sự kết hợp của mô hình điện từ và các phép đo thực nghiệm, hiểu được các đặc tính nhiệt của PCB vi sóng RF có thể giúp tránh suy giảm hiệu suất mạch và suy giảm độ tin cậy do nhiệt độ cao gây ra.

Hiểu được cách xảy ra suy hao chèn trong vật liệu mạch giúp mô tả tốt hơn các yếu tố quan trọng liên quan đến hiệu suất nhiệt của mạch PCB tần số cao. Bài viết này sẽ lấy mạch đường truyền microstrip làm ví dụ để thảo luận về sự đánh đổi liên quan đến hiệu suất nhiệt của mạch. Trong mạch microstrip có cấu trúc PCB hai mặt, tổn thất bao gồm tổn thất điện môi, tổn hao dây dẫn, tổn thất bức xạ và tổn thất rò rỉ. Sự khác biệt giữa các thành phần tổn thất khác nhau là lớn. Với một vài trường hợp ngoại lệ, tổn thất do rò rỉ của các mạch PCB tần số cao nói chung là rất thấp. Trong bài viết này, vì giá trị tổn thất do rò rỉ là rất thấp, nó sẽ được bỏ qua trong thời gian này.

Mất bức xạ

Suy hao bức xạ phụ thuộc vào nhiều thông số của mạch như tần số hoạt động, độ dày nền mạch, hằng số điện môi PCB (hằng số điện môi tương đối hoặc εr) và phương án thiết kế. Liên quan đến các sơ đồ thiết kế, tổn thất bức xạ thường bắt nguồn từ sự biến đổi trở kháng kém trong mạch hoặc sự khác biệt trong quá trình truyền sóng điện từ trong mạch. Khu vực biến đổi trở kháng của mạch thường bao gồm khu vực cấp tín hiệu, điểm trở kháng bước, sơ khai và mạng kết hợp. Thiết kế mạch hợp lý có thể thực hiện chuyển đổi trở kháng trơn tru, do đó làm giảm tổn thất bức xạ của mạch. Tất nhiên, cần nhận ra rằng có khả năng xảy ra sự không phù hợp trở kháng dẫn đến mất bức xạ ở bất kỳ mặt phân cách nào của mạch. Theo quan điểm của tần số hoạt động, thông thường tần số càng cao, tổn thất bức xạ của mạch càng lớn.

Các thông số của vật liệu mạch liên quan đến tổn thất bức xạ chủ yếu là hằng số điện môi và độ dày vật liệu PCB. Chất nền mạch càng dày thì khả năng gây mất bức xạ càng lớn; εr của vật liệu PCB càng thấp thì tổn thất bức xạ của mạch càng lớn. Đặc tính vật liệu cân toàn diện, việc sử dụng chất nền mạch mỏng có thể được sử dụng như một cách để bù đắp tổn thất bức xạ do vật liệu mạch εr thấp gây ra. Ảnh hưởng của độ dày chất nền mạch và εr đến suy hao bức xạ mạch là vì nó là một hàm phụ thuộc vào tần số. Khi độ dày của đế mạch không vượt quá 20mil và tần số hoạt động thấp hơn 20GHz, tổn thất bức xạ của mạch là rất thấp. Vì hầu hết các tần số đo và mô hình hóa mạch trong bài viết này đều thấp hơn 20GHz, nên phần thảo luận trong bài viết này sẽ bỏ qua ảnh hưởng của tổn thất bức xạ đối với sự gia nhiệt của mạch.

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

Kết quả đo lường và mô phỏng

Đường cong trong Hình 1 chứa các kết quả đo được và kết quả mô phỏng. Kết quả mô phỏng thu được bằng cách sử dụng phần mềm tính toán trở kháng vi sóng MWI-2010 của Rogers Corporation. Phần mềm MWI-2010 trích dẫn các phương trình phân tích trong các bài báo kinh điển trong lĩnh vực mô hình hóa đường microstrip. Dữ liệu thử nghiệm trong Hình 1 thu được bằng phương pháp đo độ dài vi sai của máy phân tích mạng vectơ. Qua Hình 1 có thể thấy kết quả mô phỏng đường cong tổn thất toàn phần về cơ bản phù hợp với kết quả đo được. Có thể thấy từ hình vẽ rằng tổn hao dây dẫn của mạch mỏng hơn (đường cong bên trái tương ứng với độ dày 6.6 mil) là thành phần chính của tổng tổn hao chèn. Khi độ dày của mạch tăng lên (độ dày tương ứng với đường cong bên phải là 10mil), tổn thất điện môi và tổn hao dây dẫn có xu hướng tiến lại gần nhau, và cả hai cùng tạo thành tổn hao chèn tổng.

Mô hình mô phỏng trong Hình 1 và các thông số vật liệu mạch được sử dụng trong mạch thực tế là: hằng số điện môi 3.66, hệ số suy hao 0.0037, và độ nhám bề mặt dây dẫn đồng 2.8 um RMS. Khi độ nhám bề mặt của lá đồng trong cùng một vật liệu mạch được giảm xuống, tổn hao dây dẫn của mạch 6.6 mil và 10 mil trong Hình 1 sẽ giảm đáng kể; tuy nhiên, hiệu quả không rõ ràng đối với mạch 20 triệu. Hình 2 cho thấy kết quả thử nghiệm của hai vật liệu mạch có độ nhám khác nhau, đó là vật liệu mạch tiêu chuẩn Rogers RO4350B ™ có độ nhám cao và vật liệu mạch Rogers RO4350B LoPro ™ có độ nhám thấp.

Như trong Hình 1 và Hình 2, chất nền mạch càng mỏng thì suy hao chèn mạch càng cao. Điều này có nghĩa là khi mạch được cung cấp một lượng công suất vi sóng RF nhất định, mạch càng mỏng sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn. Khi xem xét toàn diện vấn đề làm nóng mạch, một mặt, mạch mỏng hơn tạo ra nhiều nhiệt hơn so với mạch dày ở mức công suất cao, nhưng mặt khác, mạch mỏng hơn có thể thu được dòng nhiệt hiệu quả hơn qua tản nhiệt. Giữ nhiệt độ tương đối thấp.

Để giải quyết vấn đề phát nóng của mạch, mạch mỏng lý tưởng phải có các đặc điểm sau: hệ số tổn hao của vật liệu làm mạch thấp, bề mặt mỏng bằng đồng nhẵn, εr thấp và độ dẫn nhiệt cao. So với vật liệu làm mạch có εr cao, bề rộng dây dẫn của cùng một trở kháng thu được trong điều kiện r thấp có thể lớn hơn, điều này có lợi để giảm tổn thất dây dẫn của mạch. Từ góc độ tản nhiệt của mạch, mặc dù hầu hết các đế mạch PCB cao tần có khả năng dẫn nhiệt rất kém so với vật dẫn, nhưng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu mạch vẫn là một thông số rất quan trọng.

Rất nhiều thảo luận về tính dẫn nhiệt của đế mạch đã được trình bày trong các bài báo trước, và bài viết này sẽ trích dẫn một số kết quả và thông tin từ các bài báo trước. Ví dụ, phương trình và Hình 3 sau đây rất hữu ích để hiểu các yếu tố liên quan đến hiệu suất nhiệt của vật liệu mạch PCB. Trong phương trình, k là độ dẫn nhiệt (W / m / K), A là diện tích, TH là nhiệt độ của nguồn nhiệt, TC là nhiệt độ của nguồn lạnh và L là khoảng cách giữa nguồn nhiệt và nguồn lạnh.