高頻PCB電路的熱效應(yīng)問題解析

　　當(dāng)高頻/微波射頻信號(hào)饋入PCB電路時(shí)，電路因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。損耗越大，通過PCB材料的功率越高，產(chǎn) 生的熱量也將越大。當(dāng)電路的工作溫度超過額定值時(shí)，電路可能產(chǎn)生一些問題。例如，PCB中熟知的典型工作參數(shù)MOT，即最高工作溫度。當(dāng)工作溫度超過 MOT時(shí)，PCB電路的性能和可靠性將受到威脅。通過電磁建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合，了解射頻微波PCB的熱特性有助于避免高溫造成的電路性能退化和可靠性降低。

　　理解電路材料中插入損耗是如何產(chǎn)生的有助于更好描述高頻PCB電路熱性能相關(guān)的重要因素。本文將以微帶傳輸線電路為例探討電路熱性能相 關(guān)的權(quán)衡因素。在雙面PCB結(jié)構(gòu)的微帶電路中，損耗包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗及泄露損耗。不同損耗成分的差值較大，除了少數(shù)例外情況，高頻PCB 電路的泄露損耗一般很低。在本文中，由于泄露損耗值很低，暫且忽略。

　　輻射損耗

　　輻射損耗取決于工作頻率、電路基材厚度、PCB介電常數(shù)（相對(duì)介電常數(shù)或εr） 及設(shè)計(jì)方案等諸多電路參數(shù)。就設(shè)計(jì)方案而言，輻射損耗常源于電路中不良的阻抗變換或電路中電磁波傳輸?shù)牟町?。電路阻抗變換區(qū)域通常包括信號(hào)饋入?yún)^(qū)、階躍阻 抗點(diǎn)、短截線和匹配網(wǎng)絡(luò)。合理的電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)平滑的阻抗變換，進(jìn)而使電路輻射損耗降低。當(dāng)然，應(yīng)該意識(shí)到在電路任何接口處都存在阻抗失配導(dǎo)致輻射損耗 的可能性。從工作頻率的角度來看，通常頻率越高，電路的輻射損耗將越大。

　　和輻射損耗相關(guān)的電路材料的參數(shù)主要是介電常數(shù)和PCB材料厚度。電路基材越厚，引起輻射損耗的可能性越大；PCB材料的εr越低，電路的輻射損耗越大。綜合權(quán)衡材料特性，使用薄的電路基材可以作為抵消低εr電路材料造成的輻射損耗的一種方式。電路基材厚度和εr對(duì)電路輻射損耗的影響是因?yàn)樗穷l率相關(guān)的函數(shù)。當(dāng)電路基材厚度不超過20mil且工作頻率低于20GHz時(shí)，電路的輻射損耗很低。由于本文中的大部分電路建模和測(cè)量頻率都低于20GHz，故本文的討論將忽略輻射損耗對(duì)電路發(fā)熱問題的影響。

　　在 20GHz以下忽略輻射損耗后，微帶傳輸線電路的插入損耗主要包含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗兩部分，這兩者的比重主要取決于電路基材的厚度。對(duì)于較薄的基板，導(dǎo) 體損耗占主要成分。由于諸多原因，一般很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)導(dǎo)體損耗。例如，導(dǎo)體的表面粗糙度對(duì)電磁波的傳輸特性有巨大影響。銅箔的表面粗糙度不僅會(huì)改變微帶線電 路的電磁波傳播常數(shù)，還會(huì)增加電路的導(dǎo)體損耗。由于趨膚效應(yīng)，銅箔粗糙度對(duì)導(dǎo)體損耗的影響也是和頻率相關(guān)的。圖1比較了基于不同PCB厚度的50歐姆微帶 傳輸線電路的插入損耗，厚度分別為6.6mil、10mil。

　　圖1.基于不同厚度PCB材料的50歐姆微帶傳輸線電路比較

　　實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果

　　圖 1中的曲線包含實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果是使用羅杰斯公司的MWI-2010微波阻抗計(jì)算軟件得到的，MWI-2010軟件引用微帶線建模領(lǐng)域經(jīng)典論 文中的解析方程求解。圖1中的測(cè)試數(shù)據(jù)是通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的差分長(zhǎng)度測(cè)量方法得到的。從圖1中可以看到總損耗曲線的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本相吻合。從圖 中可以看出，較薄電路（左邊曲線對(duì)應(yīng)厚度為6.6mil）的導(dǎo)體損耗是總插入損耗的主要成分。隨電路厚度增加（右邊曲線對(duì)應(yīng)的厚度為10mil），介質(zhì)損 耗和導(dǎo)體損耗趨于接近，兩者共同構(gòu)成了總的插入損耗。

　　圖1中的仿真模型和實(shí)際電路使用的電路材料參數(shù)分別為：介電常數(shù)3.66、損耗因子 0.0037、銅導(dǎo)體表面粗糙度2.8 um RMS。當(dāng)相同的電路材料下的銅箔表面粗糙度降低時(shí)，圖1中的6.6mil和10mil電路的導(dǎo)體損耗會(huì)明顯降低；而對(duì)于20mil電路效果不明顯。圖2 顯示了兩種粗糙度不同的電路材料的測(cè)試結(jié)果，分別是粗糙度高的羅杰斯RO4350B™標(biāo)準(zhǔn)電路材料和粗糙度低的羅杰斯RO4350B LoPro™電路材料。

　　圖2可以看到使用光滑銅箔表面基材加工微帶線電路的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于越薄的基材，使用光滑銅箔可顯著減小插入損耗。對(duì)于 6.6mil基材，在20GHz時(shí)由于使用光滑銅箔插入損耗降低了0.3 dB；10mil基材20GHz時(shí)降低了0.22 dB；而20mil基材，插入損耗僅降低0.11 dB。

　　正如圖1和圖2所示，電路基材越薄，電路的插入損耗將相對(duì)越高。這意味著當(dāng)電路饋 入一定射頻微波功率時(shí)，越薄的電路將產(chǎn)生更多熱量。在綜合權(quán)衡電路發(fā)熱問題時(shí)，一方面較薄電路在高功率電平下相比于厚的電路會(huì)產(chǎn)生更多熱量，但另一方面較 薄的電路可以通過與散熱片獲得更有效的熱流而保持相對(duì)較低的溫度。

　　為解決電路的發(fā)熱問題，理想的薄電路應(yīng)該具有下述特征：電路材料低損耗因子、光滑銅薄表面、低εr和高熱導(dǎo)率。相比于高εr的電路材料，低εr條件下得到的同一阻抗的導(dǎo)體寬度可以更大，這有利于減小電路的導(dǎo)體損耗。從電路熱量耗散的角度，對(duì)于大部分高頻PCB電路基材，雖然其相對(duì)于導(dǎo)體來說都是非常差的熱傳導(dǎo)性，但電路材料的熱導(dǎo)率依然是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

　　大量關(guān)于電路基材熱導(dǎo)率的討論在早期文章中已被闡述，本文將引用早期文章中的部分結(jié)果和信息。例如，下述等式和圖3都有助于理解PCB電路材料熱性能相關(guān)的 影響因素。在方程中，k是熱導(dǎo)率（W/m/K），A是面積，TH是熱源溫度，TC是冷源溫度，L是熱源和冷源之間的距離。

　　圖2.基于不同介質(zhì)層厚度和銅導(dǎo)體粗糙度的微帶傳輸線損耗對(duì)比

　　熱模型

　　圖 3及其中方程是微帶線電路熱模型的一種簡(jiǎn)單表示。在微帶線電路中，頂部導(dǎo)體層作為信號(hào)平面，底部導(dǎo)體層作為接地平面，兩平面之間填充介質(zhì)層。在圖3的熱模 型中，假設(shè)信號(hào)平面作為熱源且熱量是由信號(hào)平面產(chǎn)生的，接地平面具有散熱片且作為冷源，基材則作為熱導(dǎo)體將熱量從信號(hào)平面轉(zhuǎn)移到接地平面。雖然實(shí)際微帶線 電路的熱量產(chǎn)生過程是復(fù)雜的，但對(duì)于簡(jiǎn)單的熱模型，這樣的假設(shè)是可以接受的。實(shí)際上，電路基材是一種導(dǎo)熱很差的熱導(dǎo)體。舉例來說，銅作為良好的熱導(dǎo)體，其 熱導(dǎo)率為400W/m/K；而大部分商用PCB基材的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于此值，僅為0.2 到0.3 W/m/K。

　　熱流方程解釋了為什么薄的電路（更小的L）可以改善熱流并能在高功率水平下實(shí)現(xiàn)更佳散熱。同時(shí)，在高功率條件下，相比于低熱導(dǎo)率基材，高熱導(dǎo)率基材能夠熱流更高，能夠?qū)崿F(xiàn)更佳散熱。

　　圖3.微帶傳輸線電路的基本熱模型，信號(hào)平面是熱源，帶有散熱片的接地平面是冷源

　　高 頻PCB電路的功率極限值取決于該功率水平下電路發(fā)熱所達(dá)到的溫度。電路材料UL安全認(rèn)證也可以獲得材料的額定熱指數(shù)（RTI），該指數(shù)是電路材料在不惡 化PCB關(guān)鍵性能條件下工作一定時(shí)長(zhǎng)所允許的最大溫度。當(dāng)基材制作實(shí)際電路時(shí)，從熱處理的角度還必須考慮一些其他因素。例如，電路還可以進(jìn)行MOT評(píng)估， 用于衡量電路材料在不惡化PCB關(guān)鍵性能條件下工作一定時(shí)長(zhǎng)所允許的最大溫度。對(duì)于相同PCB電路材料，MOT值總是低于RTI值。

　　PCB 的射頻微波功率大小受限于電路的MOT和電路的工作環(huán)境。如果加載的功率導(dǎo)致的電路發(fā)熱沒有超過電路的MOT，那該功率電平是可以接受的。當(dāng)然，加載的功 率會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)熱并使電路溫度超過外部環(huán)境溫度。當(dāng)外部溫度是+25°C，加載的射頻微波功率產(chǎn)生的熱量不會(huì)超過MOT。當(dāng)外部溫度為+50°C時(shí)，仍給 該電路施加相同的功率水平，電路產(chǎn)生的熱量可能超過MOT并使電路產(chǎn)生問題。如上分析，高頻PCB電路的功率大小在一定程度上也依賴于外部工作環(huán)境。

　　影響因素

　　為 更好了解PCB電路熱性能相關(guān)的影響因素，使用圖1和圖2結(jié)構(gòu)的50歐姆微帶傳輸線電路展開研究。在相同類型的PCB材料上加工了不同厚度和不同銅粗糙度 的電路。此外，除了在低損耗PCB材料上加工緊耦合接地共面波導(dǎo)微帶線電路外，在高損耗PCB材料上也加工了電路以進(jìn)行評(píng)估。輸入的射頻微波功率范圍為 5W到85W，所有電路在3.4GH在的回波損耗均高于18dB且以0.25英寸的覆蓋銅板作為散熱片。通過COOLSPAN®電熱導(dǎo)體膜將電路覆蓋在散 熱片上，這種熱固粘合材料的熱導(dǎo)率為6 W/m/K。

　　使用紅外成像儀記錄一定功率條件下電路的發(fā)熱情況。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，紅外成像儀視 野中的電路及其表面的顏色應(yīng)該一致。使用黑漆作為表面顏色可使熱成像儀獲得準(zhǔn)確的熱成像圖。但不利的是，使用黑漆會(huì)增加傳輸線的插入損耗。插入損耗的增加 使記錄的熱量會(huì)有所增加，可以認(rèn)為是最壞情況產(chǎn)生的熱量。此外，由于共面波導(dǎo)的地線-信號(hào)線-地線區(qū)域覆蓋了黑漆且該區(qū)域的電流密度較大，因此對(duì)接地共面 波導(dǎo)插入損耗（溫升）的影響大于微帶線電路。

　　表1展示了不同電路的電路結(jié)構(gòu)、材料種類和特性參數(shù)、插入損耗及溫度上升結(jié)果。該表為對(duì)比不同 電路材料的熱效應(yīng)提供了大量信息。例如，從表中可以對(duì)比基于相同電路基材而使用不同銅箔粗糙度的電路的熱效應(yīng)，3號(hào)電路使用粗糙的銅箔，4號(hào)電路使用光滑 的銅箔。與預(yù)期相同，光滑銅箔表面的電路比粗糙銅箔表面的電路的插入損耗更低，因此4號(hào)電路的溫升也更小。

　　表1.相同功率條件下基于不同結(jié)構(gòu)和材料的電路溫升

　　對(duì)比1號(hào)電路和3號(hào)電路可以發(fā)現(xiàn)PCB材料厚度的改變會(huì)導(dǎo)致上升溫度的差異。這兩個(gè)電路除了PCB厚度不同外，材料種類和銅的粗糙度等均相同。1號(hào)電路比 3 號(hào)電路更薄，其插入損耗也比3號(hào)電路高。如前所述，當(dāng)電路施加足夠的射頻微波功率時(shí)，插入損耗越高，產(chǎn)生的熱量就越多。然而，如表1所示，較薄的1號(hào)電路 的上升溫度實(shí)際上低于較厚的3號(hào)電路。這是因?yàn)?號(hào)電路具有更短的熱流路徑L，如圖3中所示。

　　對(duì)比1號(hào)電路和2號(hào)電路可以發(fā)現(xiàn)電路使用的材料完全相同，但兩者的電路設(shè)計(jì)有所不同。2號(hào)電路是共面波導(dǎo)電路，緊耦合且在共面地線-信號(hào)線邊緣附近帶有電鍍通孔（PTH）。微帶傳輸線與共面波導(dǎo)傳輸線的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖4所示。

　　插入損耗

　　緊耦合結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)電路比微帶線電路具有更佳的散熱性能。共面波導(dǎo)電路（2號(hào)電路）共面層的中心信號(hào)導(dǎo)體和鄰近接地導(dǎo)體的間距為5mil，在接地導(dǎo)體邊緣 分布著一排接地過孔。這些過孔都是電鍍銅孔，其作為熱傳導(dǎo)路徑可以有效地將熱量從信號(hào)平面轉(zhuǎn)移到接地平面。如表1所示，1號(hào)微帶線電路和2號(hào)接地共面波導(dǎo) 電路的插入損耗差值是非常明顯的。由于兩個(gè)電路都加工于相同厚度的材料上，電路的插入損耗越高意味著產(chǎn)生的熱量越多。盡管接地共面波導(dǎo)電路比微帶線電路產(chǎn) 生更多熱量，但接地過孔的散熱作用使得兩者的溫升并沒有產(chǎn)生太大差異。

　　圖4.用于PCB熱效應(yīng)研究的傳輸線電路（a）微帶線結(jié)構(gòu)（b）2號(hào)電路對(duì)應(yīng)的接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

　　圖5.微帶傳輸線俯視熱成像圖，頂點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的是信號(hào)饋入點(diǎn)處熱量

　　最后，對(duì)比表1中的3號(hào)電路和5號(hào)電路可以發(fā)現(xiàn)兩者除了PCB厚度均為20mil外，其他很多參數(shù)均不同。5號(hào)電路基于低成本的FR-4電路材料，該材料在 微波頻段很少使用。5號(hào)電路的插入損耗比3號(hào)電路明顯高很多。此外，5號(hào)電路在熱性能方面也存在許多不足，包括高損耗因子、低熱導(dǎo)率以及高εr。對(duì)于50歐姆傳輸線而言，高εr意味著導(dǎo)線寬度變窄，相比于低εr的3號(hào)電路，5號(hào)電路的導(dǎo)體損耗更高。

　　對(duì)于任何電路的發(fā)熱研究，信號(hào)饋入處通常是電路的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)槎枷Ｍ麑⑸漕l功率經(jīng)盡可能高效的從輸入端口傳輸?shù)奖粶y(cè)試的電路中。在本研究中，所有實(shí)驗(yàn)都 使用Southwest Microwave（www.southwestmicrowave.com）公司提供的性能良好的3.5mm終端接頭。盡管電路通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)良好 的信號(hào)饋入，但信號(hào)饋入?yún)^(qū)附近始終存在一定程度的能量損耗，這會(huì)導(dǎo)致饋入?yún)^(qū)產(chǎn)生更高的熱量。由于發(fā)射接頭是良好的熱導(dǎo)體，因此部分熱量可以通過接頭傳導(dǎo)到 散熱片。在高功率條件下，如熱成像所示，電路信號(hào)饋入?yún)^(qū)域的溫度要高于微帶電路的主體部分的溫度。圖5對(duì)應(yīng)的是上述情形的電路熱成像圖，該電路不屬于表格 1中所列電路。

　　圖5是12mil厚度50歐姆微帶傳輸線電路的熱成像圖。該電路在噴涂黑漆后的插入損耗為0.23dB/in。電路信號(hào)饋入 區(qū)的最高溫度為+127°F，而電路主體部分的最高溫度為+119°F。因?yàn)樾盘?hào)饋入?yún)^(qū)比電路主體部分具有更多的散熱片，所以兩處測(cè)量的溫度差別不大，但 該差異仍值得關(guān)注。

　　結(jié)論

　　從熱量控制角度分析了插入損耗的不同因素、簡(jiǎn)易熱模型以及部分主要電路材料參數(shù)如何有助于理解高功率射頻微波信號(hào)條件下PCB電路的熱效應(yīng)?？偟膩碚f，相對(duì)薄的電路材料、高熱導(dǎo)率、光滑銅箔表面、低損耗因子等都有利于減小高功率射頻微波信號(hào)條件下PCB電路的發(fā)熱效應(yīng)。