PCB Bolg - 射頻電路板的熱管理設計

射頻/微波電路板設計中正確的熱管理需從仔細選擇電子材料開始，而印刷電路板（PCB）又是這些材料中最重要的一種。 在大功率、高頻率的電路（如功放）中，熱量可能在放大器中的有源器件周圍積聚起來。 為了防止器件結點、附近的電路元器件或甚至PCB材料的損壞，系統必須將熱量從有源器件中正確地傳導出去，並通過器件封裝、電路接地、散熱片、設備機殼和環境空氣安全地散發。 PCB材料的選擇對大功率射頻/微波設計的總體熱管理有很大的影響。

電路材料的功率處理能力與其控制溫昇的能力有關，而溫昇又是外加功率和耗散功率的函數。 對於大多數電子元器件而言，工作溫度升高將會縮短其工作壽命，並且經常還會降低其電力效能。 不管是環境溫度較高，還是因大功率工作而引起的電路及其元器件溫度升高，其結果都會導致高溫下的損壞和效能下降。 根據電路必須耗散的功率大小，使該電路保持在較低的溫度下，通常能够保證較高的可靠性。

PCB在高溫下會發生什麼現象呢？ 就像大多數材料一樣，PCB會隨溫度變化而熱脹冷縮——當溫度上升時，PCB會在三個軸向上（長度、寬度和厚度）膨脹。 這種隨溫度變化導致的膨脹程度，可以用PCB材料的熱膨脹係數（CTE）來表徵。 因為PCB通常由覆銅（用於形成傳輸線和地平面）電介質形成，所以該材料在x和y方向上的線性CTE，通常設計得與銅的CTE（約17ppm/℃）相匹配。 通過這種方法，這些材料就會隨溫度的變化而一起膨脹和收縮，從而最大程度地减小了兩種材料連接處的應力。

電介質材料z軸（厚度）的CTE，通常設計為較低的值，以便最大程度地减小隨溫度而發生的尺寸變化，並保持電鍍通孔（PTH）的完整性。 PTH為接地和多層電路板互連，提供所需的從電路板頂層到底層的路徑。

除了機械變化以外，溫度還會影響PCB的電力效能。 例如，PCB板的相對介電常數是溫度的函數，由介電常數的熱係數這一參數所定義。 該參數描述了介電常數的變化（組織通常是ppm/℃）。 由於高頻傳輸線的阻抗不僅取決於基板材料的厚度，而且取決於其介電常數，囙此z軸的CTE和作為溫度函數的介電常數的變化，會顯著影響在這種材料上製作的微帶和帶狀傳輸線的阻抗。

當然，微波電路依賴於元器件和電路結點之間緊密匹配的阻抗，來最大限度地减小可能導致訊號損失和相位失真的反射。 在功放電路中，阻抗匹配電路用於實現從功率電晶體的典型低阻抗到射頻/微波電路或系統的典型50Ω特性阻抗的轉化。 由大功率訊號的溫度效應引起的傳輸線阻抗的變化，可能改變高頻放大器的頻率回應，囙此，應通過仔細選擇PCB層壓板來盡可能减小這些效應。

在選擇在大功率電平和高頻下有助於最大限度减小熱量產生的PCB材料時，還有許多其他的參數也很有用。 在某個溫度點，某些材料會改變其狀態，這個溫度就是其中的一個參數——被稱為液態玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度（簡寫為Tg）。 例如，它能够訓示在一種材料的CTE特性中，將發生巨大改變的溫度（圖1）。 由於材料的CTE會經歷相當大的變化，當工作溫度超過Tg時，材料的機械和電力效能會變得不穩定，囙此，除了短暫的處理過程（如在回流焊過程中，材料要求處於較高溫度下）外，工作溫度應始終保持在該溫度以下。

另外一個與溫度有關的關鍵參數是PCB的最高工作溫度（MOT）。 MOT是保險商實驗室（UL）給特定電路製作場所使用特定PCB材料生產的單一PCB結構定義的一個額定值。 MOT是PCB能够在任何時長內正常工作又不會顯著降低電路關鍵性能内容的最高溫度。 如果電路在高於MOT的溫度下工作了一段較長時間，可靠性風險將值得考慮。 MOT額定值意味著為PCB提供了安全的高溫訓示，雖然它並未包含高輸入功率電平對PCB的影響。

射頻/微波電路板

PCB材料的熱導率可以用作層壓板散熱效率的相對指示器。 該參數本質上描述了PCB板的導熱能力，其計量單位是每米材料每開爾文溫度的瓦特功率。 與電導率和電子在材料中的流動類似，熱導率用於預計熱量通過給定材料時的能量損耗率。 熱導率的倒數是熱阻率，或材料封锁熱量流動的能力。

熱導率取決於材料的各種内容，例如其分子結構。 舉例來說，玻璃是一種較差的熱導體，具有1.1W/（m-K）的極低熱導率。 另一方面，銅對熱量流動的阻抗很低，具有401W/（m-K）的非常高的熱導率。 由於PCB介電材料的熱導率特別低（高TgFR-4電路材料的熱導率一般在0.24W/（m-K）左右），囙此熱量能够很容易地在大功率PCB的導線（這些導線通常是用具有極低熱阻的銅做的）上積聚起來。 但選擇具有較高熱導率的PCB材料，允許電路工作在較高的功率電平。

Rogers RT/duroid6035HTC PCB材料具有比FR-4、甚至若干低損耗高頻層壓材料高得多的熱導率。 這種材料由陶瓷填充的PTFE複合電介質和標準或反向處理過的電解（ED）銅箔組成。 該材料由於具有很高的熱導率，因而被廣泛地用於數百瓦特的功率微波放大器中進行高效的熱管理。 在z軸上，它在10GHz時的相對介電常數為3.50，並且其在整個電路板上的公差保持在±0.05之內，從而保持傳輸線的阻抗一致。 x和y軸的CTE是19ppm/℃，與銅的CTE接近匹配。

當然，在電路設計中，正確的熱管理並不只是簡單地選擇具有最佳熱内容的電路層壓板。 有許多其它因素會影響工作在給定功率電平和頻率的電路的溫度。 例如，電路材料由耗散因數來表徵，它是由介電材料引起的損耗。 還有通過傳導性傳輸線（例如微帶線或帶狀線電路）的損耗，並且越高的插入損耗，將導致傳輸線在較高的功率電平下產生越多的熱量。 PCB上銅導體的粗糙性會導致插損的新增，特別是在較高頻率時。

此外，PCB材料介電常數的選擇將决定射頻/微波電路的尺寸和密度，因為微波傳輸線結構的尺寸取決於要處理的訊號波長。 當相對介電常數較大時，達到給定阻抗所需的傳輸線的尺寸會較小，而PCB的功率處理能力將受限於導線的寬度和插損以及地平面間距。 舉例來說，對於一個放大器電路，選擇具有較小相對介電常數的PCB材料，對於給定阻抗可以使傳輸線更寬，從而改善熱流。 使用相對介電常數較大的PCB材料，將導致更細的傳輸線尺寸和間距更密的電路，因而在大功率電路中可能形成熱點。 另外，選擇低耗散因數的材料，有助於最大程度地减小傳輸線的插損，並優化放大器電路的增益。

所有PCB材料在處理高射頻功率電平時都會發生溫昇。 但不同材料、甚至不同的覆銅層都會影響電路的功率處理能力。 如果為了確保PCB板和高頻設計具有較長的工作壽命而考慮保守的MOT參數，那麼在材料選擇時，應該把低損耗、高熱導率和穩定的機械溫度特性考慮在內。