Tecnologia RF - Discussione sull'effetto termico del circuito PCB ad alta frequenza

Quando il segnale rf hf / microonde viene alimentato nel circuito stampato ad alta frequenza PCB, la perdita causata dal circuito stesso e dal materiale del circuito genererà inevitabilmente una certa quantità di calore. Maggiore è la perdita, maggiore è la potenza che passa attraverso il materiale PCB e maggiore sarà il calore generato. Quando la temperatura di funzionamento del circuito supera il valore nominale, possono verificarsi alcuni problemi con il circuito. Ad esempio, un parametro operativo tipico noto ai PCB è MOT o temperatura massima di esercizio. Quando la temperatura di esercizio supera il MOT, le prestazioni e l'affidabilità del circuito PCB saranno minacciate. Attraverso la combinazione di modellazione elettromagnetica e misurazione sperimentale, la comprensione delle caratteristiche termiche del PCB a microonde RF può aiutare a evitare il degrado delle prestazioni del circuito e il degrado dell'affidabilità causato dalle alte temperature.

1., Perdita di radiazioni

La perdita di radiazione dipende dalla frequenza di funzionamento, dallo spessore del substrato del circuito, dalla costante dielettrica (costante dielettrica relativa o ε R) del PCB e da molti altri parametri del circuito come lo schema di progettazione. In termini di schemi di progettazione, le perdite di radiazione spesso derivano da scarsa conversione di impedenza nel circuito o differenze nella trasmissione di onde elettromagnetiche nel circuito. L'area di trasformazione dell'impedenza del circuito comprende solitamente l'area di ingresso del segnale, il punto di impedenza del passo, la linea stub e la rete corrispondente. Il design ragionevole del circuito può realizzare la trasformazione regolare dell'impedenza e quindi ridurre la perdita di radiazione del circuito. Naturalmente, si dovrebbe riconoscere che c'è la possibilità di disallineamento di impedenza a qualsiasi interfaccia del circuito che porta a perdite di radiazione. Dal punto di vista della frequenza operativa, maggiore è la frequenza, maggiore sarà la perdita di radiazione del circuito.

I parametri dei materiali del circuito relativi alla perdita di radiazione sono principalmente costante dielettrica e spessore del materiale PCB. Più spesso il substrato del circuito, maggiore è la possibilità di perdita di radiazioni; Più basso è l'ε R del materiale PCB, maggiore è la perdita di radiazione del circuito. L'uso di un substrato a circuito sottile può essere utilizzato come modo per compensare le perdite di radiazione causate da materiali a circuito basso ε R in una combinazione di caratteristiche del materiale. L'influenza dello spessore del substrato e dell'ε R sulla perdita di radiazione del circuito è perché è una funzione dipendente dalla frequenza. Quando lo spessore del substrato del circuito non è più di 20mIL e la frequenza di funzionamento è inferiore a 20GHz, la perdita di radiazione del circuito è molto bassa. Poiché la maggior parte delle frequenze di modellazione e misurazione del circuito in questo articolo sono inferiori a 20GHz, gli effetti della perdita di radiazione sul riscaldamento del circuito saranno ignorati in questa discussione.

Dopo che la perdita di radiazione è ignorata sotto 20GHz, la perdita di inserzione del circuito della linea di trasmissione microtrip comprende principalmente due parti: perdita dielettrica e perdita del conduttore, la cui proporzione dipende principalmente dallo spessore del substrato del circuito. Per il substrato più sottile, la perdita del conduttore è il componente principale. Per molte ragioni, è difficile prevedere con precisione la perdita del conduttore. Ad esempio, la rugosità superficiale di un conduttore ha un effetto enorme sulle caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche. La rugosità superficiale del foglio di rame non solo cambierà la costante di propagazione dell'onda elettromagnetica del circuito di linea microstrip, ma aumenterà anche la perdita del conduttore. A causa dell'effetto cutaneo, l'influenza della rugosità della lamina di rame sulla perdita del conduttore è anche correlata alla frequenza.

2, modello termico

In un circuito di linea microtrip, lo strato superiore del conduttore agisce come piano del segnale, lo strato inferiore del conduttore agisce come piano di terra e lo strato dielettrico viene riempito tra i due piani. Supponiamo che il piano del segnale agisca come fonte di calore e che il calore sia generato dal piano del segnale, il piano di messa a terra abbia un dissipatore di calore e agisca come fonte fredda e il substrato agisca come conduttore di calore per trasferire calore dal piano del segnale al piano di messa a terra. Sebbene l'effettivo processo di generazione di calore nei circuiti microstrip sia complesso, tali ipotesi sono accettabili per modelli termici semplici. Il substrato del circuito è un conduttore termico molto povero. Ad esempio, il rame è un buon conduttore termico, la sua conducibilità termica di 400W/m/K; Tuttavia, la conducibilità termica della maggior parte dei substrati PCB commerciali è di gran lunga inferiore a questo valore, solo da 0,2 a 0,3W /m/K. L'equazione del flusso di calore spiega perché i circuiti sottili (L più piccola) possono migliorare il flusso di calore e ottenere una migliore dissipazione del calore ad alti livelli di potenza. Allo stesso tempo, in condizioni di alto potere, rispetto al substrato di bassa conducibilità termica, il substrato di alta conducibilità termica può raggiungere un flusso di calore più elevato e una migliore dissipazione del calore.

La potenza a microonde rf del PCB è limitata dal MOT del circuito e dall'ambiente di lavoro del circuito. Il livello di potenza è accettabile se la potenza di carico non provoca il riscaldamento del circuito più del MOT del circuito. Naturalmente, la potenza caricata causerà il riscaldamento del circuito e farà sì che la temperatura del circuito superi la temperatura ambiente esterna. Quando la temperatura esterna è +25°C, il calore generato dalla potenza a microonde RF caricata non supera il MOT. Quando lo stesso livello di potenza viene applicato al circuito ad una temperatura esterna di +50°C, il calore generato dal circuito può superare il MOT e causare problemi al circuito. Come analizzato sopra, la potenza del circuito stampato ad alta frequenza dipende anche dall'ambiente di lavoro esterno in una certa misura.

3, Fattore di influenza

Per comprendere meglio i fattori che influenzano le prestazioni termiche del circuito PCB, il circuito della linea di trasmissione a microstrappo da 50 ohm con la struttura della figura 1 e della figura 2 è stato utilizzato per effettuare la ricerca. Circuiti con spessori diversi e rugosità differenti del rame sono stati lavorati sullo stesso tipo di materiale PCB. Inoltre, oltre ai circuiti microtrip coplanari a terra strettamente accoppiati lavorati sui materiali PCB a bassa perdita, i circuiti sono stati lavorati sui materiali PCB ad alta perdita per la valutazione. La potenza del microonde RF in ingresso varia da 5W a 85W e tutti i circuiti hanno perdite di ritorno superiori a 18dB a 3.4GH con una pinna di rame coperta da 0,25 pollici. Il circuito è rivestito con pellicola conduttrice elettrotermica COOLSPAN®. Questo materiale adesivo termoindurente ha una conducibilità termica di 6 W/m/K.

Un apparecchio a infrarossi è stato utilizzato per registrare il riscaldamento del circuito in determinate condizioni di potenza. Per garantire l'accuratezza della misurazione, il colore del circuito e della sua superficie nel campo visivo dell'apparecchio a infrarossi dovrebbero essere coerenti. L'utilizzo della vernice nera come colore della superficie consente al termocamera di ottenere immagini termiche accurate. Lo svantaggio è che l'utilizzo di vernice nera aumenta le perdite di inserzione sulle linee di trasmissione. Un aumento della perdita di inserzione comporterà un aumento del calore registrato, che può essere considerato il calore peggiore. Inoltre, l'effetto della perdita di inserzione (aumento della temperatura) sulla guida d'onda complanare del suolo è maggiore di quello del circuito microtrip perché la terra - segnale - la regione di terra della guida d'onda complanare è coperta di vernice nera e la densità di corrente in questa regione è alta.

4., Conclusione

Dal punto di vista del controllo del calore, vengono analizzati diversi fattori di perdita di inserzione, un semplice modello termico e alcuni parametri principali del materiale del circuito per comprendere l'effetto termico del circuito PCB in condizione di segnale RF e microonde ad alta potenza. In generale, i materiali del circuito relativamente sottili, l'alta conducibilità termica, la superficie liscia del foglio di rame e il fattore di perdita basso favoriscono la riduzione dell'effetto di riscaldamento del circuito stampato ad alta frequenza in condizioni di segnale RF e microonde ad alta potenza.