Новости PCB - Конструкция радиочастотной печатной платы с терморегулированием

Правильное управление температурой при проектировании ВЧ/СВЧ-устройств начинается с тщательного выбора электронных материалов, и печатная плата (PCB) является наиболее важным из этих материалов. В мощных высокочастотных схемах, таких как усилители мощности, вокруг активных компонентов усилителя может накапливаться тепло. Чтобы предотвратить повреждение узлов устройства, близлежащих компонентов схемы или даже материалов печатных плат, система должна правильно отводить тепло от активных устройств и безопасно отводить его через упаковку устройства, заземление цепи, радиаторы, корпус оборудования и окружающий воздух. Выбор материалов печатных плат оказывает значительное влияние на общее управление температурой в мощных радиочастотных/микроволновых устройствах.

Энергопотребление материалов микросхем связано с их способностью контролировать повышение температуры, которое зависит от внешнего питания и рассеиваемой мощности. Для большинства электронных компонентов повышение рабочей температуры сокращает срок службы и часто снижает их электрические характеристики. Независимо от того, является ли это высокой температурой окружающей среды или повышением температуры схемы и ее компонентов, вызванным работой на большой мощности, результатом будет повреждение и ухудшение производительности при высоких температурах. Поддержание более низкой температуры цепи в зависимости от количества энергии, которое должно быть рассеяно, как правило, обеспечивает более высокую надежность.

Что происходит с печатной платой при высоких температурах? Как и большинство материалов, печатная плата подвергается тепловому расширению и сжатию при изменении температуры - при повышении температуры печатная плата расширяется по трем осям (длине, ширине и толщине). Степень расширения, вызванного изменением температуры, может быть охарактеризована коэффициентом теплового расширения (КТР) материалов печатных плат. Поскольку печатная плата обычно изготавливается из композитного медного диэлектрика (используемого для формирования линий передачи и плоскостей заземления), линейный CTE этого материала в направлениях x и y обычно соответствует CTE меди (приблизительно 17 ppm/℃). Благодаря этому методу эти материалы будут расширяться и сжиматься в зависимости от изменения температуры, тем самым максимально уменьшая напряжение в соединении между двумя материалами.

CTE диэлектрических материалов по оси z (толщина) обычно рассчитывается на меньшее значение, чтобы минимизировать изменение размеров в зависимости от температуры и сохранить целостность сквозных отверстий с покрытием (PTH). PTH обеспечивает необходимый путь от верхней части печатной платы к нижней для заземления и соединения многослойной печатной платы.

Помимо механических изменений, температура также может влиять на электрические характеристики печатной платы. Например, относительная диэлектрическая проницаемость ламинированных печатных плат зависит от температуры и определяется тепловым коэффициентом диэлектрической проницаемости. Этот параметр описывает изменение диэлектрической проницаемости (обычно измеряется в ppm/℃). В связи с тем, что импеданс высокочастотных линий передачи зависит не только от толщины материала подложки, но и от ее диэлектрической проницаемости, изменения CTE по оси z и диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры могут существенно влиять на импеданс микрополосковых и ленточных линий передачи, выполненных на этой основе. материал.

Конечно, микроволновые схемы полагаются на точно подобранный импеданс между компонентами и узлами схемы, чтобы свести к минимуму отражения, которые могут привести к потере сигнала и фазовым искажениям. В схемах усилителей мощности схемы согласования импеданса используются для преобразования типичного низкого импеданса силовых транзисторов в типичный характеристический импеданс 50 Ом в радиочастотных/микроволновых цепях или системах. Изменения полного сопротивления линии передачи, вызванные температурным воздействием мощных сигналов, могут изменить частотную характеристику высокочастотных усилителей. Поэтому следует тщательно подбирать ламинаты для печатных плат, чтобы максимально свести к минимуму эти эффекты.

Существует множество других параметров, которые также полезны при выборе материалов печатных плат, помогающих свести к минимуму тепловыделение при высоких уровнях мощности и частотах. При определенной температуре некоторые материалы изменяют свое состояние, и эта температура является одним из параметров, известных как температура жидкого стеклования или температура стеклования (Tg). Например, он может указывать температуру, при которой произойдут значительные изменения в CTE-характеристиках материала (рис. 1). Из-за значительных изменений CTE материалов их механические и электрические свойства становятся нестабильными, когда рабочая температура превышает Tg. Поэтому, за исключением кратковременных технологических операций (таких как пайка оплавлением, когда требуется более высокая температура материала), рабочую температуру всегда следует поддерживать ниже этой температуры.

Другим ключевым параметром, связанным с температурой, является максимальная рабочая температура печатной платы (MOT). MOT - это рейтинг, определенный Underwriters Laboratories (UL) для отдельной структуры печатной платы, изготовленной с использованием специальных материалов на конкретном предприятии по изготовлению печатных плат. MOT - это максимальная температура, при которой печатная плата может нормально функционировать в течение любого периода времени без существенного снижения критических характеристик схемы. Если схема работает при температурах, превышающих MOT, в течение длительного периода времени, следует учитывать риски для надежности. Рейтинг MOT означает, что он обеспечивает безопасную индикацию высокой температуры печатной платы, хотя и не учитывает влияние высокого уровня входной мощности на печатную плату.

Теплопроводность материалов печатных плат может использоваться в качестве относительного показателя эффективности рассеивания тепла ламинированными плитами. Этот параметр, по сути, описывает теплопроводность материалов печатных плат, измеряемую в ваттах на метр материала при температуре Кельвина. Подобно проводимости и потоку электронов в материалах, теплопроводность используется для оценки скорости потери энергии при прохождении тепла через данный материал. Обратная величина теплопроводности - это тепловое сопротивление, или способность материала предотвращать поток тепла.

Теплопроводность зависит от различных свойств материала, таких как его молекулярная структура. Например, стекло является плохим теплопроводом с чрезвычайно низкой теплопроводностью - 1,1 Вт/(м-К). С другой стороны, медь обладает низким сопротивлением тепловому потоку и очень высокой теплопроводностью - 401 Вт/(м-К). Из-за особенно низкой теплопроводности диэлектрических материалов печатных плат (теплопроводность материалов для схем с высоким содержанием TgFR-4 обычно составляет около 0,24 Вт/(м-К)), тепло может легко накапливаться на проводах мощных печатных плат (которые обычно изготавливаются из меди с чрезвычайно низким тепловым сопротивлением).. Но выбор материалов печатной платы с более высокой теплопроводностью позволяет схеме работать при более высоких уровнях мощности.

Радиочастотная печатная плата

Rogers RT/durroid 6035HTC обладает гораздо более высокой теплопроводностью, чем FR-4 и даже некоторые высокочастотные ламинаты с низкими потерями. Этот материал состоит из композитного диэлектрика из ПТФЭ с керамическим наполнителем и медной фольги со стандартной или обратной электролитической обработкой (ED). Этот материал широко используется для эффективного управления температурой в микроволновых усилителях мощностью в сотни ватт благодаря своей высокой теплопроводности. По оси z его относительная диэлектрическая проницаемость при частоте 10 ГГц составляет 3,50, а допуск по всей печатной плате остается в пределах ± 0,05, что позволяет поддерживать постоянный импеданс линии передачи. CTE по осям x и y составляет 19 ppm/℃, что близко к значению CTE для меди.

Конечно, при проектировании схем правильное регулирование температуры - это не просто выбор ламината для схемы с наилучшими тепловыми свойствами. Существует множество других факторов, которые могут влиять на температуру схемы, работающей при заданном уровне мощности и частоте. Например, материалы схем характеризуются коэффициентами рассеяния, которые представляют собой потери, вызванные диэлектрическими материалами. Также возникают потери в проводящих линиях передачи (таких как микрополосковые линии или линейные схемы), и более высокие вносимые потери приведут к тому, что линия передачи будет выделять больше тепла при более высоких уровнях мощности. Шероховатость медных проводников на печатной плате может привести к увеличению вносимых потерь, особенно на более высоких частотах.

Кроме того, выбор диэлектрической проницаемости материалов печатных плат будет определять размер и плотность ВЧ/СВЧ-цепей, поскольку размер структур линий передачи СВЧ-сигналов зависит от длины волны обрабатываемого сигнала. При большой относительной диэлектрической проницаемости размер линии передачи, необходимый для достижения заданного полного сопротивления, будет меньше, а мощность печатной платы будет ограничена шириной и вносимыми потерями в проводах, а также расстоянием между плоскостями заземления. Например, для схемы усилителя выбор материалов печатной платы с меньшей относительной диэлектрической проницаемостью может расширить линию передачи при заданном полном сопротивлении, тем самым улучшив тепловой поток. Использование материалов печатных плат с относительно высокой диэлектрической проницаемостью приведет к уменьшению размеров линий передачи и увеличению расстояния между цепями, что может привести к образованию горячих точек в мощных цепях. Кроме того, выбор материалов с низким коэффициентом рассеяния может помочь свести к минимуму вносимые потери в линиях передачи и максимально оптимизировать коэффициент усиления усилительных схем.

Все материалы печатных плат подвержены повышению температуры при работе с высокими уровнями радиочастотной мощности. Однако различные материалы, даже различные слои меди, могут влиять на энергопотребление схемы. Если рассматривать консервативные параметры технического обслуживания для обеспечения более длительного срока службы ламинированных печатных плат и высокочастотных печатных плат, то при выборе материалов следует учитывать низкие потери, высокую теплопроводность и стабильные механические температурные характеристики.