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射频计的热管理从选择电路板开始
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PCB/其它元器件展厅
PCB线路板, IGBT模块, PIM功率模块, 可控硅模块, 红外线接收头, ...
射频/微波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射频/微波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射频/微波电路或系统的典型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。

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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。

当然,在电路设计中,正确的热管理并不只是简单地选择具有最佳热属性的电路层压板。有许多其它因素会影响工作在给定功率电平和频率的电路的温度。例如,电路材料由耗散因数来表征,它是由介电材料引起的损耗。还有通过传导性传输线(例如微带线或带状线电路)的损耗,并且越高的插入损耗,将导致传输线在较高的功率电平下产生越多的热量。PCB上铜导体的粗糙性会导致插损的增加,特别是在较高频率时。

此外,PCB材料介电常数的选择将决定射频/微波电路的尺寸和密度,因为微波传输线结构的尺寸取决于要处理的信号波长。当相对介电常数较大时,达到给定阻抗所需的传输线的尺寸会较小,而PCB的功率处理能力将受限于导线的宽度和插损以及地平面间距。举例来说,对于一个放大器电路,选择具有较小相对介电常数的PCB材料,对于给定阻抗可以使传输线更宽,从而改善热流。使用相对介电常数较大的PCB材料,将导致更细的传输线尺寸和间距更密的电路,因而在大功率电路中可能形成热点。另外,选择低耗散因数的材料,有助于最大程度地减小传输线的插损,并优化放大器电路的增益。

借助免费的MWI 2010微波阻抗计算器软件,我们仿真了几种不同PCB层压板在大功率电平下使用时的特性,并把MOT作为决定每种材料实际能够处理的最大射频功率的关键参数。每种材料的MOT假设为+105℃。在每个计算用例中,使用的环境温度都是+25℃(室温),同时,针对不同的功率电平,对环境温度以上的温升作了预测。每种材料上都使用2盎司的铜作为导电叠层,制作了相同的20mil厚、50Ω微带线测试电路。在把高Tg FR-4层压板与Rogers公司的RO4350B层压板相比较后可以发现,在800MHz时,对于可比的温升,功率处理能力的预测差异非常显著(图 2)。在射频功率电平约40W时,FR-4相对于环境的温升约为+75℃;而RO4350B层压板相对环境温升约+77℃时的射频功率几乎接近250W。

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图2:MWI 2010微波阻抗计算器的预测表明,与工作在800MHz的高Tg值FR-4和RO4350B层压板相比,
RT/duroid 6035HTC的高热导率转换成更高的功率处理能力

把RT/duroid 6035HTC层压板增加到2GHz更高频率的MWI 2010仿真中,并假设电路与材料(2盎司铜)条件与800MHz仿真时相同,在温升高于环境温度接近+90℃时,FR-4实际表现出较低的功率处理能力(约25W);而工作在2GHz的RO4350B对于约150W的射频功率,显示出接近+85℃的温升(图3)。RT/duroid 6035HTC专门针对大功率使用而设计,经过这些MWI 2010仿真表明,它在2GHz频率、350W射频功率以上工作时,相对环境的温升仅超过+80℃。这些仿真使我们不仅更加意识到了RT/duroid 6035HTC层压板在大功率电平下的期望能力,而且更加认识了另外两种材料的功率处理能力对频率的依赖性。

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图3:这些仿真结果表明,与工作在2GHz的高Tg FR-4和RO4350B层压板相比,
RT/duroid 6035HTC的高热导率能转换成更高的功率处理能力。

当上述三种材料用相同测试电路进行测试,但每种电路接收相同频率和功率电平的测试信号时,高Tg FR-4展现出最高的温升——达到+109℃(+229℉)或相对环境温度升高了+84℃;RO4350B层压板的温升为+56℃,从+25℃上升到了+82℃(+180℉);RT/duroid 6035HTC在相同测试条件下,相对环境的温升仅为+36℃(从+25℃到+62℃)。

在所有其它测试条件相同的情况下,我们对Rogers RO4003C层压板和采用1盎司ED铜和2盎司ED铜的RT/duroid 6035HTC层压板作了进一步测试。该测试揭示了非常有趣的铜表面影响力的结果。当测试频率为800MHz(图4),所有三种层压板相对环境温度的温升达到+80℃时,采用2盎司ED铜的RO4003C层压板所需的功率约为280W,采用2盎司ED铜的RT/duroid 6035HTC所需功率约为700W,采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC所需功率接近800W。当测试频率为2GHz(图5)、温升相同的条件下,RO4003C的功率处理能力下降至约140W,采用2盎司铜的RT/duroid 6035HTC的功率处理能力约380W,而采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC的功率处理能力超过400W。采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC的性能超过更厚覆层的相同电介质的原因是,前者具有更光滑的铜表面(因而具有更小的插损)。

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图4:这张图对采用2盎司铜的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和
采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC工作在800MHz时的功率处理能力进行了比较

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图5:这张图对采用2盎司铜的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和
采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC工作在2GHz时的功率处理能力进行了比较。

上述这些测试表明,所有PCB材料在处理高射频功率电平时都会发生温升。但不同材料、甚至不同的覆铜层都会影响电路的功率处理能力。如果为了确保PCB层压板和高频设计具有较长的工作寿命而考虑保守的MOT参数,那么在材料选择时,应该把低损耗、高热导率和稳定的机械温度特性考虑在内。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/9/2013)
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