5G技術(shù)應(yīng)用中如何從熱管理方面考量選擇電路材料

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和移動互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的日漸豐富，人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率以及服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求，第五代（5G）無線移動通信技術(shù)應(yīng)運而生并得到快速發(fā)展。與此同時，5G也將滲透到其他各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器、車聯(lián)網(wǎng)等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

　　高頻段毫米波在5G通信中具有顯著的優(yōu)勢，如足夠的帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益等。美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)劃用于5G的4個高頻段包括3個授權(quán)頻段和1個未授權(quán)頻段等，但是尋找這些頻段內(nèi)性能卓越且價格合理的印刷電路板（PCB）材料是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何正確理解PCB材料的關(guān)鍵參數(shù)和特性，選取適合于5G 技術(shù)應(yīng)用頻段內(nèi)應(yīng)用的PCB材料至關(guān)重要。

　　下面我們就從熱管理方面討論如何選取適合5G技術(shù)應(yīng)用頻段內(nèi)應(yīng)用的PCB材料。

　　熱管理

　　當(dāng)高頻/微波射頻信號饋入PCB電路時，因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。5G設(shè)備應(yīng)用中不僅使用頻率升高，設(shè)備也趨于小型化，勢必產(chǎn)生更大的熱量。處理好電路熱管理及理解PCB的熱特性有助于避免因高溫導(dǎo)致的電路性能惡化和可靠性降低。

　　熱模型

　　簡單的表示電路的基本熱模型及微帶線的熱流剖面模型如圖5所示。在微帶線電路中，頂部信號平面是電路發(fā)熱源，底部接地平面是低溫區(qū)域或散熱平面，兩平面之間填充介質(zhì)材料。在熱模型中，熱量將從信號平面，通過材料轉(zhuǎn)移到接地平面低溫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)散熱。雖然實際微帶線電路的熱量產(chǎn)生過程是復(fù)雜的，但對于簡單的熱模型，這樣的假設(shè)是可以接受的。圖中熱流方程中的k是材料的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，A是發(fā)熱源面積，L是材料厚度，（TH-TL）是上下面的溫差。熱流方程及熱模型解釋了選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、厚度薄的電路材料可以實現(xiàn)更佳的散熱和熱量管理。

　　圖1：電路的基本熱模型

　　左）圖是基本的熱流模型，右）圖是微帶線電路的熱流剖面圖模型

　　熱管理

　　設(shè)計者通常會從電路效率和損耗角度出發(fā)來評估溫度上升情況，但是PCB介質(zhì)作為熱源最近的導(dǎo)熱體卻是對溫升影響較大的部分。如圖6，我們通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，在常用的板材中，通過降低板材的Df值來降低溫升的方法，沒有選用更高導(dǎo)熱率的方法有效。盡管在不同材料的介質(zhì)損耗會最終影響電路的插入損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的熱量，但相比較，材料的導(dǎo)熱系數(shù)對于溫度變化更為明顯。對于相同導(dǎo)熱系數(shù)值情況下，例如0.4W/m/K，介質(zhì)損耗Df從0.001到0.004引起的溫度上升僅約為0.22°C/W。然而，即使Df同為0.001的材料，導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/m/K到1.5W/m/K的變化卻可引起溫度降低 0.82°C/W。如果電路的輸入功率是50W，那么溫度可降低約40°C。

　　圖2：仿真計算溫度上升隨Tc和Df的變化

　　除材料的導(dǎo)熱系數(shù)外，材料的其他的一些參數(shù)也對熱量管理產(chǎn)生影響。為更好的了解PCB電路熱性能相關(guān)的影響因素，表7展示了基于不同材料，不同材料厚度、損耗因子、導(dǎo)熱系數(shù)、銅箔粗糙度以及插入損耗的電路的溫度變化結(jié)果。該表為對比不同電路材料的熱效應(yīng)提供了參考。對比1號與2號電路，兩者的差異是電路的厚度，因此PCB材料厚度的變化會導(dǎo)致溫升的差異。厚度越薄，散熱路徑越短，相同條件下溫升越低；對比2號與3號電路，兩者的差異主要在不同銅箔粗糙度帶來的插入損耗的不同。銅箔表面粗糙度越小，插入損耗越低，溫升越??；電路4材料是FR-4，該材料基本不用在微波/毫米波波段。作為例子可以看到FR-4在多個方面存在不足，如高的介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗和較低的導(dǎo)熱率，從而在相同電路下具有最高的插入損耗，導(dǎo)致溫升顯著增加。電路5是基于羅杰斯RT/duroid 6035HTC PTFE 陶瓷材料，該材料具有高達(dá)1.44W/m/K的導(dǎo)熱率，具有最好的導(dǎo)熱特性，同時具有非常低的損耗因子，插入損耗最低，在相同輸入功率下它的溫升最低，非常適合于高功率微波應(yīng)用。

　　圖3：不同材料及厚度下熱量測試的對比

　　因此，對電路的熱量管理要選擇相對薄的電路材料，同時選擇高導(dǎo)熱率、銅箔表面光滑、低損耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波頻段下電路的發(fā)熱情況。

　　多層板設(shè)計

　　5G技術(shù)不僅要更小型化的基站設(shè)備，天線的尺寸也要小型化。同時，將有源電路與天線相結(jié)合的有源天線系統(tǒng)將作為即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。小型化的設(shè)計以及有源天線系統(tǒng)都要求電路更多的應(yīng)用多層板的設(shè)計。

　　Z軸熱膨脹系數(shù)

　　通常用于高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯，可通過各種形式的填料如玻璃纖維或陶瓷材料加固增強。相比熱固性材料，PTFE的熱塑性材料通常有更好的電氣性能，具有較小的電氣損耗，但PTFE材料的Z軸熱膨脹系數(shù)都比銅高不少。在制作多層板時，當(dāng)電路板經(jīng)過高溫時因材料與銅的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同的膨脹導(dǎo)致PTH過孔的可靠性失效。

　　選擇低熱膨脹系數(shù)的材料對于高頻多層板應(yīng)用中過孔的可靠性重要性不言而喻。羅杰斯公司研究發(fā)現(xiàn)，在PTFE熱塑性材料中添加一些特殊的陶瓷填料可改善材料的熱膨脹系數(shù)。兼具PTFE材料本身具有的低的溫度特性和電氣特性，這種材料非常適合于高頻毫米波多層板的應(yīng)用。如羅杰斯公司的RO3000系列電路板材料，其Z軸的熱膨脹系數(shù)低至24ppm/°C，僅需使用一個簡單的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過孔；且它具有極低的介質(zhì)損耗，非常適合于高頻多層板的電路設(shè)計。

　　阻抗匹配

　　高頻微波/毫米波多層電路板中過孔設(shè)計及加工控制也是需要關(guān)注的方面。在過孔的設(shè)計和加工中，過孔的大小，孔內(nèi)銅厚，孔外表層焊盤大小，以及孔與接地面之間的間距等都會對過孔的寄生電容和寄生電感產(chǎn)生影響。從而影響過孔的分布參數(shù)，導(dǎo)致整體線路的失配，這種情況在微波/毫米波頻段更為明顯。在7.3mil羅杰斯RO4350B Lopro覆銅板兩面疊合8mil的RO4450F碳?xì)浠衔锾沾砂牍袒谱鞒?層分別包含通孔微帶線電路。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，比較通孔電路，其具有相同的通孔長度和銅厚，但孔徑較小和孔焊盤較小的電路具有更小的寄生電容、更好的寬帶特性和回波損耗，如圖8給出了通過減小通孔孔徑和孔焊盤引起的阻抗階躍變化，從而提高電路回波損耗及射頻帶寬的實測數(shù)據(jù)。

　　圖4：通孔阻抗變化對射頻性能的影響

　　總的來說，5G技術(shù)的不斷發(fā)展和對微波頻段的需求對于PCB材料的性能提出了更高的要求。根據(jù)頻率選擇合適的板厚，選擇損耗因子小的PCB材料，理解PCB 材料銅箔表面粗糙度的影響而選取不同銅箔，以及合適的表面處理工藝有利于降低電路的插入損耗。高導(dǎo)熱率的PCB材料有利于5G應(yīng)用中更小尺寸，更高集成度電路的熱量管理，實現(xiàn)最佳的散熱方案。同時，合適的PCB材料類型，材料的熱膨脹系數(shù)，過孔加工及可靠性能都將最終決定材料的選型。