射頻微波PCB電路的熱效應(yīng)問(wèn)題

2016-12-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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(guò)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(guò)額定值時(shí),電路可能產(chǎn)生一些問(wèn)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(guò)MOT時(shí),PCB電路的性能和可靠性將受到威脅。通過(guò)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。

1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)牟町悺ｋ娐纷杩棺儞Q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(lái)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(guò)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(wèn)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。

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圖1.基于不同厚度PCB材料的50歐姆微帶傳輸線電路比較

2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(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(lái)說(shuō)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。

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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

3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(guò)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(lái)說(shuō),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。

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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(méi)有超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)MOT并使電路產(chǎn)生問(wèn)題。如上分析,高頻PCB電路的功率大小在一定程度上也依賴(lài)于外部工作環(huán)境。

4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(kāi)研究。在相同類(lèi)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(guò)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(lèi)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。

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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(lèi)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。

5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(guò)孔。這些過(guò)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(guò)孔的散熱作用使得兩者的溫升并沒(méi)有產(chǎn)生太大差異。

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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)

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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(guò)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(guò)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?yún)^(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?xún)商帨y(cè)量的溫度差別不大,但該差異仍值得關(guān)注。

4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?lái)說(shuō),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)。

本文最初發(fā)表于《High Frequency Electronics》

中文版《微波射頻網(wǎng)》授權(quán)

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