射頻設(shè)計的熱管理從選擇電路板開始

射頻/微波設(shè)計中正確的熱管理需從仔細(xì)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(jié)點、附近的電路元器件或甚至PCB材料的損壞，系統(tǒng)必須將熱量從有源器件中正確地傳導(dǎo)出去，并通過器件封裝、電路接地、散熱片、設(shè)備機(jī)殼和環(huán)境空氣安全地散發(fā)。PCB材料的選擇對大功率射頻/微波設(shè)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升的能力有關(guān)，而溫升又是外加功率和耗散功率的函數(shù)。對于大多數(shù)電子元器件而言，工作溫度升高將會縮短其工作壽命，并且經(jīng)常還會降低其電氣性能。不管是環(huán)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(jié)果都會導(dǎo)致高溫下的損壞和性能下降。根據(jù)電路必須耗散的功率大小，使該電路保持在較低的溫度下，通常能夠保證較高的可靠性。

PCB在高溫下會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？就像大多數(shù)材料一樣，PCB會隨溫度變化而熱脹冷縮——當(dāng)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(dǎo)致的膨脹程度，可以用PCB材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)來表征。因為PCB通常由覆銅(用于形成傳輸線和地平面)電介質(zhì)形成，所以該材料在x和y方向上的線性CTE，通常設(shè)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，從而最大程度地減小了兩種材料連接處的應(yīng)力。

電介質(zhì)材料z軸(厚度)的CTE，通常設(shè)計為較低的值，以便最大程度地減小隨溫度而發(fā)生的尺寸變化，并保持電鍍通孔(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(jī)械變化以外，溫度還會影響PCB的電氣性能。例如，PCB層壓板的相對介電常數(shù)是溫度的函數(shù)，由介電常數(shù)的熱系數(shù)這一參數(shù)所定義。該參數(shù)描述了介電常數(shù)的變化(單位通常是ppm/℃)。由于高頻傳輸線的阻抗不僅取決于基板材料的厚度，而且取決于其介電常數(shù)，因此z軸的CTE和作為溫度函數(shù)的介電常數(shù)的變化，會顯著影響在這種材料上制作的微帶和帶狀傳輸線的阻抗。

當(dāng)然，微波電路依賴于元器件和電路結(jié)點之間緊密匹配的阻抗，來最大限度地減小可能導(dǎo)致信號損失和相位失真的反射。在功放電路中，阻抗匹配電路用于實現(xiàn)從功率晶體管的典型低阻抗到射頻/微波電路或系統(tǒng)的典型50Ω特性阻抗的轉(zhuǎn)化。由大功率信號的溫度效應(yīng)引起的傳輸線阻抗的變化，可能改變高頻放大器的頻率響應(yīng)，因此，應(yīng)通過仔細(xì)選擇PCB層壓板來盡可能減小這些效應(yīng)。

在選擇在大功率電平和高頻下有助于最大限度減小熱量產(chǎn)生的PCB材料時，還有許多其他的參數(shù)也很有用。在某個溫度點，某些材料會改變其狀態(tài)，這個溫 度就是其中的一個參數(shù)——被稱為液態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(簡寫為Tg)。例如，它能夠指示在一種材料的CTE特性中，將發(fā)生巨大改變的溫度 (圖1)。由于材料的CTE會經(jīng)歷相當(dāng)大的變化，當(dāng)工作溫度超過Tg時，材料的機(jī)械和電氣性能會變得不穩(wěn)定，因此，除了短暫的處理過程(如在回流焊過程 中，材料要求處于較高溫度下)外，工作溫度應(yīng)始終保持在該溫度以下。

圖1：PCB材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)特性在高于材料的玻璃化溫度Tg時會發(fā)生急劇變化，并且在機(jī)械和電氣方面變得不穩(wěn)定。

另外一個與溫度有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)是PCB的最高工作溫度(MOT)。MOT是保險商實驗室(UL)給特定電路制作場所使用特定PCB材料生產(chǎn)的單一PCB結(jié)構(gòu) 定義的一個額定值。MOT是PCB能夠在任何時長內(nèi)正常工作又不會顯著降低電路關(guān)鍵性能屬性的最高溫度。如果電路在高于MOT的溫度下工作了一段較長時 間，可靠性風(fēng)險將值得考慮。MOT額定值意味著為PCB提供了安全的高溫指示，雖然它并未包含高輸入功率電平對PCB的影響。

PCB材料的熱導(dǎo)率可以用作層壓板散熱效率的相對指示器。該參數(shù)本質(zhì)上描述了PCB材料的導(dǎo)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(dǎo)率和電 子在材料中的流動類似，熱導(dǎo)率用于預(yù)計熱量通過給定材料時的能量損耗率。熱導(dǎo)率的倒數(shù)是熱阻率，或材料阻止熱量流動的能力。

跟蹤熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率取決于材料的各種屬性，例如其分子結(jié)構(gòu)。舉例來說，玻璃是一種較差的熱導(dǎo)體，具有1.1W/(m-K)的極低熱導(dǎo)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(dǎo)率。由于PCB介電材料的熱導(dǎo)率特別低(高Tg FR-4電路材料的熱導(dǎo)率一般在0.24W/(m-K)左右)，因此熱量能夠很容易地在大功率PCB的導(dǎo)線(這些導(dǎo)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(dǎo)率的PCB材料，允許電路工作在較高的功率電平。

下表對一些典型的PCB層壓材料進(jìn)行了比較(其 中包括Rogers公司相對較新的產(chǎn)品RT/duroid 6035HTC層壓材料)。如表中所示那樣，RT/duroid 6035HTC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(dǎo)率。這種材料由陶瓷填充的PTFE復(fù)合電介質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)或反向處理過的電解 (ED)銅箔組成。該材料由于具有很高的熱導(dǎo)率，因而被廣泛地用于數(shù)百瓦特的功率微波放大器中進(jìn)行高效的熱管理。在z軸上，它在10GHz時的相對介電常 數(shù)為3.50，并且其在整個電路板上的公差保持在±0.05之內(nèi)，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(dāng)然，在電路設(shè)計中，正確的熱管理并不只是簡單地選擇具有最佳熱屬性的電路層壓板。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(shù)來表征，它是由介電材料引起的損耗。還有通過傳導(dǎo)性傳輸線(例如微帶線或帶狀線電路)的損耗，并且越高的插入損耗，將導(dǎo)致傳輸線在較高的功率電平下產(chǎn)生越多的熱量。PCB上銅導(dǎo)體的粗糙性會導(dǎo)致插損的增加，特別是在較高頻率時。

此外，PCB材料介電常數(shù)的選擇將決定射頻/微波電路的尺寸和密度，因為微波傳輸線結(jié)構(gòu)的尺寸取決于要處理的信號波長。當(dāng)相對介電常數(shù)較大時，達(dá)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于導(dǎo)線的寬度和插損以及地平面間距。舉例來說，對于一個放大器電路，選擇具有較小相對介 電常數(shù)的PCB材料，對于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(shù)較大的PCB材料，將導(dǎo)致更細(xì)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(shù)的材料，有助于最大程度地減小傳輸線的插損，并優(yōu)化放大器電路的增益。

借助免費的MWI 2010微波阻抗計算器軟件，我們仿真了幾種不同PCB層壓板在大功率電平下使用時的特性，并把MOT作為決定每種材料實際能夠處理的最大射頻功率的關(guān)鍵 參數(shù)。每種材料的MOT假設(shè)為+105℃。在每個計算用例中，使用的環(huán)境溫度都是+25℃(室溫)，同時，針對不同的功率電平，對環(huán)境溫度以上的溫升作了 預(yù)測。每種材料上都使用2盎司的銅作為導(dǎo)電疊層，制作了相同的20mil厚、50Ω微帶線測試電路。在把高Tg FR-4層壓板與Rogers公司的RO4350B層壓板相比較后可以發(fā)現(xiàn)，在800MHz時，對于可比的溫升，功率處理能力的預(yù)測差異非常顯著(圖 2)。在射頻功率電平約40W時，F(xiàn)R-4相對于環(huán)境的溫升約為+75℃；而RO4350B層壓板相對環(huán)境溫升約+77℃時的射頻功率幾乎接近250W。

圖2：MWI 2010微波阻抗計算器的預(yù)測表明，與工作在800MHz的高Tg值FR-4和RO4350B層壓板相比，RT/duroid 6035HTC的高熱導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成更高的功率處理能力。

把RT/duroid 6035HTC層壓板增加到2GHz更高頻率的MWI 2010仿真中，并假設(shè)電路與材料(2盎司銅)條件與800MHz仿真時相同，在溫升高于環(huán)境溫度接近+90℃時，F(xiàn)R-4實際表現(xiàn)出較低的功率處理能力 (約25W)；而工作在2GHz的RO4350B對于約150W的射頻功率，顯示出接近+85℃的溫升(圖3)。RT/duroid 6035HTC專門針對大功率使用而設(shè)計，經(jīng)過這些MWI 2010仿真表明，它在2GHz頻率、350W射頻功率以上工作時，相對環(huán)境的溫升僅超過+80℃。這些仿真使我們不僅更加意識到了RT/duroid 6035HTC層壓板在大功率電平下的期望能力，而且更加認(rèn)識了另外兩種材料的功率處理能力對頻率的依賴性。

圖3：這些仿真結(jié)果表明，與工作在2GHz的高Tg FR-4和RO4350B層壓板相比，RT/duroid 6035HTC的高熱導(dǎo)率能轉(zhuǎn)換成更高的功率處理能力。

當(dāng)上述三種材料用相同測試電路進(jìn)行測試，但每種電路接收相同頻率和功率電平的測試信號時，高Tg FR-4展現(xiàn)出最高的溫升——達(dá)到+109℃(+229℉)或相對環(huán)境溫度升高了+84℃；RO4350B層壓板的溫升為+56℃，從+25℃上升到 了+82℃(+180℉)；RT/duroid 6035HTC在相同測試條件下，相對環(huán)境的溫升僅為+36℃(從+25℃到+62℃)。

在所有其它測試條件相同的情況下，我們對Rogers RO4003C層壓板和采用1盎司ED銅和2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC層壓板作了進(jìn)一步測試。該測試揭示了非常有趣的銅表面影響力的結(jié)果。當(dāng)測試頻率為800MHz(圖4)，所有三種層壓板相對環(huán)境溫度的溫升 達(dá)到+80℃時，采用2盎司ED銅的RO4003C層壓板所需的功率約為280W，采用2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC所需功率約為700W，采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC所需功率接近800W。當(dāng)測試頻率為2GHz(圖5)、溫升相同的條件下，RO4003C的功率處理能力下降至約140W，采用2盎司銅的 RT/duroid 6035HTC的功率處理能力約380W，而采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的功率處理能力超過400W。采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的性能超過更厚覆層的相同電介質(zhì)的原因是，前者具有更光滑的銅表面(因而具有更小的插損)。

圖4：采用2盎司銅的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC工作在800MHz時的功率處理能力比較。

圖5：采用2盎司銅的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC工作在2GHz時的功率處理能力比較。

上述這些測試表明，所有PCB材料在處理高射頻功率電平時都會發(fā)生溫升。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層壓板和高頻設(shè)計具有較長的工作壽命而考慮保守的MOT參數(shù)，那么在材料選擇時，應(yīng)該把低損耗、高熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的機(jī)械溫度特性考慮在內(nèi)。