微波射頻設(shè)計中電子材料的選擇對熱管理的影響
微波/射頻設(shè)計中正確的熱管理需從仔細選擇電子材料開始,而印刷電路板(PCB)又是這些材料中最重要的一種。在大功率、高頻率的電路(如功放)中,熱量可能在放大器中的有源器件周圍積聚起來。為了防止器件結(jié)點、附近的電路元器件或甚至PCB材料的損壞,系統(tǒng)必須將熱量從有源器件中正確地傳導(dǎo)出去,并通過器件封裝、電路接地、散熱片、設(shè)備機殼和環(huán)境空氣安全地散發(fā)。PCB材料的選擇對大功率微波/射頻設(shè)計的總體熱管理有很大的影響。
電路材料的功率處理能力與其控制溫升的能力有關(guān),而溫升又是外加功率和耗散功率的函數(shù)。對于大多數(shù)電子元器件而言,工作溫度升高將會縮短其工作壽命,并且經(jīng)常還會降低其電氣性能。不管是環(huán)境溫度較高,還是因大功率工作而引起的電路及其元器件溫度升高,其結(jié)果都會導(dǎo)致高溫下的損壞和性能下降。根據(jù)電路必須耗散的功率大小,使該電路保持在較低的溫度下,通常能夠保證較高的可靠性。
PCB在高溫下會發(fā)生什么現(xiàn)象呢?就像大多數(shù)材料一樣,PCB會隨溫 度變化而熱脹冷縮——當(dāng)溫度上升時,PCB會在三個軸向上(長度、寬度和厚度)膨脹。這種隨溫度變化導(dǎo)致的膨脹程度,可以用PCB材料的熱膨脹系數(shù) (CTE)來表征。因為PCB通常由覆銅(用于形成傳輸線和地平面)電介質(zhì)形成,所以該材料在x和y方向上的線性CTE,通常設(shè)計得與銅的CTE(約 17ppm/℃)相匹配。通過這種方法,這些材料就會隨溫度的變化而一起膨脹和收縮,從而最大程度地減小了兩種材料連接處的應(yīng)力。
電介質(zhì)材料z軸(厚度)的CTE,通常設(shè)計為較低的值,以便最大程度地減小隨溫度而發(fā)生的尺寸變化,并保持電鍍通孔(PTH)的完整性。PTH為接地和多層電路板互連,提供所需的從電路板頂層到底層的路徑。
除了機械變化以外,溫度還會影響PCB的電氣性能。例如,PCB層壓板的相對介電常數(shù)是溫度的函數(shù),由介電常數(shù)的熱系數(shù)這一參數(shù)所定義。該參數(shù)描述了介電常 數(shù)的變化(單位通常是ppm/℃)。由于高頻傳輸線的阻抗不僅取決于基板材料的厚度,而且取決于其介電常數(shù),因此z軸的CTE和作為溫度函數(shù)的介電常數(shù)的 變化,會顯著影響在這種材料上制作的微帶和帶狀傳輸線的阻抗。
當(dāng)然,微波電路依賴于元器件和電路結(jié)點之間緊密匹配的阻抗,來最大限度地減小可能導(dǎo)致信號損失和相位失真的反射。在功放電路中,阻抗匹配電路用于實現(xiàn)從功率晶體管的典型低阻抗到微波/射頻電路或系統(tǒng)的典型50Ω特性阻抗的轉(zhuǎn)化。由大功率信號的溫度效應(yīng)引起的傳輸線阻抗的變化,可能改變高頻放大器的頻率響應(yīng),因此,應(yīng)通過仔細選擇PCB層壓板來盡可能減小這些效應(yīng)。
在選擇在大功率電平和高頻下有助于最大限度減小熱量產(chǎn)生的PCB材料時,還有許多其他的參數(shù)也很有用。在某個溫度點,某些材料會改變其狀態(tài),這個溫度就是其 中的一個參數(shù)——被稱為液態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(簡寫為Tg)。例如,它能夠指示在一種材料的CTE特性中,將發(fā)生巨大改變的溫度(圖1)。 由于材料的CTE會經(jīng)歷相當(dāng)大的變化,當(dāng)工作溫度超過Tg時,材料的機械和電氣性能會變得不穩(wěn)定,因此,除了短暫的處理過程(如在回流焊過程中,材料要求 處于較高溫度下)外,工作溫度應(yīng)始終保持在該溫度以下。
圖1:PCB材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)特性在高于材料的玻璃化溫度Tg時會發(fā)生急劇變化,并且在機械和電氣方面變得不穩(wěn)定
另外一個與溫度有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)是PCB的最高工作溫度(MOT)。MOT是保險商實驗室(UL)給特定電路制作場所使用特定PCB材料生產(chǎn)的單一PCB結(jié)構(gòu) 定義的一個額定值。MOT是PCB能夠在任何時長內(nèi)正常工作又不會顯著降低電路關(guān)鍵性能屬性的最高溫度。如果電路在高于MOT的溫度下工作了一段較長時 間,可靠性風(fēng)險將值得考慮。MOT額定值意味著為PCB提供了安全的高溫指示,雖然它并未包含高輸入功率電平對PCB的影響。
PCB材料的熱導(dǎo)率可以用作層壓板散熱效率的相對指示器。該參數(shù)本質(zhì)上描述了PCB材料的導(dǎo)熱能力,其計量單位是每米材料每開爾文溫度的瓦特功率。與電導(dǎo)率和電子在材 料中的流動類似,熱導(dǎo)率用于預(yù)計熱量通過給定材料時的能量損耗率。熱導(dǎo)率的倒數(shù)是熱阻率,或材料阻止熱量流動的能力。
跟蹤熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率取決于材料的各種屬性,例如其分子結(jié)構(gòu)。舉例來說,玻璃是一種較差的熱導(dǎo)體,具有1.1W/(m-K)的極低熱導(dǎo)率。另一方面,銅對熱量流動的阻抗很低,具有401W/(m-K)的非常高的熱導(dǎo)率。由于PCB介電材料的熱導(dǎo)率特別低(高Tg FR-4電路材料的熱導(dǎo)率一般在0.24W/(m-K)左右),因此熱量能夠很容易地在大功率PCB的導(dǎo)線(這些導(dǎo)線通常是用具有極低熱阻的銅做的)上積聚起來。但選擇具有較高熱導(dǎo)率的PCB材料,允許電路工作在較高的功率電平。
下表對一些典型的PCB層壓材料進行了比較(其中包括 Rogers公司相對較新的產(chǎn)品RT/duroid 6035HTC層壓材料)。如表中所示那樣,RT/duroid 6035HTC材料具有比FR-4、甚至若干低損耗高頻層壓材料高得多的熱導(dǎo)率。這種材料由陶瓷填充的PTFE復(fù)合電介質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)或反向處理過的電解 (ED)銅箔組成。該材料由于具有很高的熱導(dǎo)率,因而被廣泛地用于數(shù)百瓦特的功率微波放大器中進行高效的熱管理。在z軸上,它在10GHz時的相對介電常 數(shù)為3.50,并且其在整個電路板上的公差保持在±0.05之內(nèi),從而保持傳輸線的阻抗一致。x和y軸的CTE是19ppm/℃,與銅的CTE接近匹配。
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