Technique RF - Exploration des effets thermiques des circuits PCB haute fréquence

Lorsque des signaux RF haute fréquence / micro - ondes sont introduits dans la carte PCB haute fréquence, les pertes causées par le circuit lui - même et le matériau du circuit génèrent inévitablement une certaine quantité de chaleur. Plus les pertes sont importantes, plus la puissance à travers le matériau PCB sera élevée et plus la chaleur générée sera importante. Lorsque la température de fonctionnement du circuit dépasse la valeur nominale, certains problèmes peuvent survenir avec le circuit. Par example, un paramètre de fonctionnement typique connu d'un PCB est mot ou température de fonctionnement maximale. Lorsque la température de fonctionnement dépasse mot, les performances et la fiabilité du circuit PCB sont menacées. Grâce à une combinaison de modélisation électromagnétique et de mesures expérimentales, la compréhension des propriétés thermiques des circuits imprimés à micro - ondes RF peut aider à éviter les baisses de performance et de fiabilité des circuits causées par des températures élevées.

1. Perte de rayonnement

Les pertes radiatives dépendent de la fréquence de fonctionnement, de l'épaisseur du substrat du circuit, de la constante diélectrique du PCB (constante diélectrique relative ou îlot r) et de nombreux autres paramètres du circuit tels que le schéma de conception. En termes de schéma de conception, les pertes radiatives sont généralement dues à une mauvaise conversion d'impédance dans le circuit ou à des différences dans la transmission d'ondes électromagnétiques dans le circuit. Une zone de transformation d'impédance de circuit comprend généralement une zone d'entrée de signal, des points d'impédance de pas, des troncs et un réseau d'adaptation. Une conception de circuit raisonnable peut permettre une transformation d'impédance lisse, réduisant ainsi les pertes radiatives du circuit. Bien entendu, il faut reconnaître qu'il existe une possibilité de désadaptation d'impédance à n'importe quelle interface du circuit, ce qui entraîne des pertes radiatives. Du point de vue de la fréquence de fonctionnement, plus la fréquence est élevée, plus les pertes rayonnantes du circuit sont importantes.

Les paramètres des matériaux de circuit liés aux pertes radiatives sont principalement la constante diélectrique et l'épaisseur du matériau PCB. Plus le substrat de circuit est épais, plus les pertes de rayonnement sont probables; Plus l'îlot R du matériau PCB est faible, plus les pertes radiatives du circuit sont importantes. L'utilisation d'un substrat de circuit mince peut être utilisée comme un moyen de compenser les pertes de rayonnement causées par les matériaux de circuit à faible r par une combinaison de propriétés des matériaux. L'effet de l'épaisseur du substrat et des îlots r sur les pertes rayonnantes du circuit est dû au fait qu'il s'agit d'une fonction de corrélation de fréquence. Lorsque l'épaisseur du substrat du circuit ne dépasse pas 20 mil et que la fréquence de fonctionnement est inférieure à 20 GHz, les pertes radiatives du circuit sont très faibles. Comme la plupart des circuits modélisés et mesurés dans cet article ont des fréquences inférieures à 20 GHz, l'effet des pertes radiatives sur le chauffage du circuit sera négligé dans cet article.

Après omission des pertes rayonnantes en dessous de 20 GHz, les pertes d'insertion d'un circuit de ligne de transmission microruban comprennent principalement deux parties de pertes diélectriques et de pertes conductrices, la proportion des deux étant principalement fonction de l'épaisseur du substrat du circuit. Pour les substrats plus minces, les pertes de conducteurs sont le composant principal. Il est difficile de prédire avec précision les pertes de conducteurs pour de nombreuses raisons. Par example, la rugosité de surface d'un conducteur a une grande influence sur les caractéristiques de propagation des ondes électromagnétiques. La rugosité de surface de la Feuille de cuivre modifie non seulement la constante de propagation des ondes électromagnétiques du circuit de la ligne microruban, mais augmente également les pertes de conducteurs. L'effet de la rugosité de la Feuille de cuivre sur les pertes de conducteurs est également lié à la fréquence en raison de l'effet de chimiotaxie.

2, modèle thermique

Dans un circuit de ligne microruban, la couche conductrice supérieure sert de plan de signal, la couche conductrice inférieure sert de plan de masse et la couche diélectrique est remplie entre les deux plans. Supposons que le plan de signal joue le rôle de source chaude, que la chaleur est générée par le plan de signal, que le plan de masse comporte un radiateur et joue le rôle de source froide, et que le substrat joue le rôle de conducteur thermique, transmettant la chaleur du plan de signal au plan de masse. Bien que le processus réel de génération de chaleur dans un circuit microruban soit complexe, une telle hypothèse est acceptable pour un modèle thermique simple. Le substrat de circuit est un très mauvais conducteur thermique. Par example, le cuivre est un bon conducteur thermique dont la conductivité thermique est de 400 W / M / k; Cependant, la conductivité thermique de la plupart des substrats PCB commerciaux est bien inférieure à cette valeur, de seulement 0,2 à 0,3 W / M / K. l'équation du flux de chaleur explique pourquoi un circuit mince (un l plus petit) peut améliorer le flux de chaleur et permettre une meilleure dissipation thermique à des niveaux de puissance élevés. Dans le même temps, dans des conditions de puissance élevée, les substrats à conductivité thermique élevée peuvent atteindre un flux de chaleur plus élevé et une meilleure dissipation thermique par rapport aux substrats à faible conductivité thermique.

La puissance RF micro - ondes du PCB est limitée par le mot du circuit et l'environnement de travail du circuit. Le niveau de puissance est acceptable si la puissance de la charge ne provoque pas un échauffement du circuit au - delà de la mot du circuit. Bien sûr, la puissance de la charge peut provoquer un échauffement du circuit, ce qui fait que la température du circuit dépasse la température ambiante extérieure. Lorsque la température extérieure est de + 25 ° C, la puissance RF micro - ondes chargée ne produit pas plus de chaleur que mot. Lorsque le même niveau de puissance est appliqué au circuit à une température extérieure de + 50°C, la chaleur produite par le circuit peut dépasser mot et causer des problèmes au circuit. Comme mentionné ci - dessus, la puissance de la carte PCB haute fréquence dépend également dans une certaine mesure de l'environnement de travail externe.

3. Facteurs d'influence

Afin de mieux comprendre les facteurs influençant les performances thermiques des circuits PCB, des études ont été réalisées avec un circuit de ligne de transmission microruban de 50 ohms de la structure des figures 1 et 2. Usiner des circuits avec différentes épaisseurs et différentes rugosités de cuivre sur le même type de matériau PCB. En outre, en plus d'un circuit microruban coplanaire à guide d'onde mis à la terre étroitement couplé et usiné sur un matériau PCB à faible perte, les circuits usinés sont également évalués dans un matériau PCB à forte perte. La puissance micro - ondes RF d'entrée varie de 5W à 85W et tous les circuits ont une perte de retour supérieure à 18db à 3,4gh avec des ailettes de refroidissement en cuivre recouvertes de 0,25 pouce. Le circuit est revêtu d'un film conducteur électrothermique coolspan®. Ce matériau adhésif thermodurcissable a une conductivité thermique de 6 w / M / K.

Un imageur infrarouge est utilisé pour enregistrer l'échauffement d'un circuit électrique dans certaines conditions de puissance. Pour assurer la précision des mesures, les couleurs du circuit et de sa surface dans le champ de vision de l'imageur infrarouge doivent être uniformes. L'utilisation de la peinture noire comme couleur de surface permet à l'imageur thermique d'obtenir une image thermique précise. L'inconvénient est que l'utilisation de peinture noire augmente les pertes d'insertion sur la ligne de transmission. L'augmentation des pertes d'insertion entraînera une augmentation de la chaleur enregistrée, qui peut être considérée comme la chaleur dans le pire des cas. De plus, les pertes d'insertion (élévation de température) ont un effet plus important sur le Guide coplanaire à la terre que sur les circuits microruban, car la zone masse - signal - masse du Guide coplanaire est recouverte de peinture noire et la densité de courant dans cette zone est élevée.

4. Conclusion

Du point de vue du contrôle thermique, différents facteurs de perte d'insertion, un modèle thermique simple et certains paramètres majeurs du matériau du circuit ont été analysés pour comprendre les effets thermiques des circuits PCB dans des conditions de signaux RF et micro - ondes de haute puissance. En général, un matériau de circuit relativement mince, une conductivité thermique élevée, une surface de feuille de cuivre lisse, un faible coefficient de perte sont bénéfiques pour réduire l'effet de chauffage de la carte PCB haute fréquence dans des conditions de Signal RF et micro - ondes de haute puissance.