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微波射频设计中电子材料的选择对热管理的影响

发布时间:2020-07-21 17:34:42 阅读: 来源:金属床厂家

本文引用地址:微波/射频设计中正确的热管理需从仔细选择电子材料开始,而印刷电路板(PCB)又是这些材料中最重要的一种。在大功率、高频率的电路(如功放)中,热量可能在放大器中的有源器件周围积聚起来。为了防止器件结点、附近的电路元器件或甚至PCB材料的损坏,系统必须将热量从有源器件中正确地传导出去,并通过器件封装、电路接地、散热片、设备机壳和环境空气安全地散发。PCB材料的选择对大功率微波/射频设计的总体热管理有很大的影响。

电路材料的功率处理能力与其控制温升的能力有关,而温升又是外加功率和耗散功率的函数。对于大多数电子元器件而言,工作温度升高将会缩短其工作寿命,并且经常还会降低其电气性能。不管是环境温度较高,还是因大功率工作而引起的电路及其元器件温度升高,其结果都会导致高温下的损坏和性能下降。根据电路必须耗散的功率大小,使该电路保持在较低的温度下,通常能够保证较高的可靠性。

PCB在高温下会发生什么现象呢?就像大多数材料一样,PCB会随温 度变化而热胀冷缩——当温度上升时,PCB会在三个轴向上(长度、宽度和厚度)膨胀。这种随温度变化导致的膨胀程度,可以用PCB材料的热膨胀系数 (CTE)来表征。因为PCB通常由覆铜(用于形成传输线和地平面)电介质形成,所以该材料在x和y方向上的线性CTE,通常设计得与铜的CTE(约 17ppm/℃)相匹配。通过这种方法,这些材料就会随温度的变化而一起膨胀和收缩,从而最大程度地减小了两种材料连接处的应力。

电介质材料z轴(厚度)的CTE,通常设计为较低的值,以便最大程度地减小随温度而发生的尺寸变化,并保持电镀通孔(PTH)的完整性。PTH为接地和多层电路板互连,提供所需的从电路板顶层到底层的路径。

除了机械变化以外,温度还会影响PCB的电气性能。例如,PCB层压板的相对介电常数是温度的函数,由介电常数的热系数这一参数所定义。该参数描述了介电常 数的变化(单位通常是ppm/℃)。由于高频传输线的阻抗不仅取决于基板材料的厚度,而且取决于其介电常数,因此z轴的CTE和作为温度函数的介电常数的 变化,会显著影响在这种材料上制作的微带和带状传输线的阻抗。

当然,微波电路依赖于元器件和电路结点之间紧密匹配的阻抗,来最大限度地减小可能导致信号损失和相位失真的反射。在功放电路中,阻抗匹配电路用于实现从功率晶体管的典型低阻抗到微波/射频电路或系统的典型50Ω特性阻抗的转化。由大功率信号的温度效应引起的传输线阻抗的变化,可能改变高频放大器的频率响应,因此,应通过仔细选择PCB层压板来尽可能减小这些效应。

在选择在大功率电平和高频下有助于最大限度减小热量产生的PCB材料时,还有许多其他的参数也很有用。在某个温度点,某些材料会改变其状态,这个温度就是其 中的一个参数——被称为液态玻璃化转变温度或玻璃化转变温度(简写为Tg)。例如,它能够指示在一种材料的CTE特性中,将发生巨大改变的温度(图1)。 由于材料的CTE会经历相当大的变化,当工作温度超过Tg时,材料的机械和电气性能会变得不稳定,因此,除了短暂的处理过程(如在回流焊过程中,材料要求 处于较高温度下)外,工作温度应始终保持在该温度以下。

图1:PCB材料的热膨胀系数(CTE)特性在高于材料的玻璃化温度Tg时会发生急剧变化,并且在机械和电气方面变得不稳定

另外一个与温度有关的关键参数是PCB的最高工作温度(MOT)。MOT是保险商实验室(UL)给特定电路制作场所使用特定PCB材料生产的单一PCB结构 定义的一个额定值。MOT是PCB能够在任何时长内正常工作又不会显著降低电路关键性能属性的最高温度。如果电路在高于MOT的温度下工作了一段较长时 间,可靠性风险将值得考虑。MOT额定值意味着为PCB提供了安全的高温指示,虽然它并未包含高输入功率电平对PCB的影响。

PCB材料的热导率可以用作层压板散热效率的相对指示器。该参数本质上描述了PCB材料的导热能力,其计量单位是每米材料每开尔文温度的瓦特功率。与电导率和电子在材 料中的流动类似,热导率用于预计热量通过给定材料时的能量损耗率。热导率的倒数是热阻率,或材料阻止热量流动的能力。

跟踪热导率

热导率取决于材料的各种属性,例如其分子结构。举例来说,玻璃是一种较差的热导体,具有1.1W/(m-K)的极低热导率。另一方面,铜对热量流动的阻抗很低,具有401W/(m-K)的非常高的热导率。由于PCB介电材料的热导率特别低(高Tg FR-4电路材料的热导率一般在0.24W/(m-K)左右),因此热量能够很容易地在大功率PCB的导线(这些导线通常是用具有极低热阻的铜做的)上积聚起来。但选择具有较高热导率的PCB材料,允许电路工作在较高的功率电平。

下表对一些典型的PCB层压材料进行了比较(其中包括 Rogers公司相对较新的产品RT/duroid 6035HTC层压材料)。如表中所示那样,RT/duroid 6035HTC材料具有比FR-4、甚至若干低损耗高频层压材料高得多的热导率。这种材料由陶瓷填充的PTFE复合电介质和标准或反向处理过的电解 (ED)铜箔组成。该材料由于具有很高的热导率,因而被广泛地用于数百瓦特的功率微波放大器中进行高效的热管理。在z轴上,它在10GHz时的相对介电常 数为3.50,并且其在整个电路板上的公差保持在±0.05之内,从而保持传输线的阻抗一致。x和y轴的CTE是19ppm/℃,与铜的CTE接近匹配。

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