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

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.

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.

Sau khi bỏ qua tổn thất bức xạ dưới 20GHz, tổn hao chèn của một mạch đường truyền microstrip chủ yếu bao gồm hai phần: tổn hao điện môi và tổn hao dây dẫn. Tỷ lệ của cả hai chủ yếu phụ thuộc vào độ dày của chất nền mạch. Đối với chất nền mỏng hơn, tổn hao dây dẫn là thành phần chính. Vì nhiều lý do, nói chung rất khó dự đoán chính xác tổn thất dây dẫn. Ví dụ, độ nhám bề mặt của vật dẫn có ảnh hưởng rất lớn đến các đặc tính truyền của sóng điện từ. Độ nhám bề mặt của lá đồng không chỉ làm thay đổi hằng số truyền sóng điện từ của mạch vi cuộn mà còn làm tăng tổn hao dây dẫn của mạch. Do hiệu ứng da, ảnh hưởng của độ nhám lá đồng đến suy hao dây dẫn cũng phụ thuộc vào tần số. Hình 1 so sánh tổn thất chèn của các mạch đường truyền microstrip 50 ohm dựa trên các độ dày PCB khác nhau, tương ứng là 6.6 mils và 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.

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.