微波射頻設(shè)計中電子材料的選擇對熱管理的影響

微波/射頻設(shè)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(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)備機殼和環(huán)境空氣安全地散發(fā)。PCB材料的選擇對大功率微波/射頻設(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微波/射頻電路或系統(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。