射頻設計的熱管理從選擇電路板開始

射頻/微波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(tǒng)必須將熱量從有源器件中正確地傳導出去，并通過器件封裝、電路接地、散熱片、設備機殼和環(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升的能力有關，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，其結果都會導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，從而最大程度地減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。

當然，微波電路依賴于元器件和電路結點之間緊密匹配的阻抗，來最大限度地減小可能導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特性阻抗的轉化。由大功率信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響應，因此，應通過仔細選擇PCB層壓板來盡可能減小這些效應。

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)玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度(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會經歷相當大的變化，當工作溫度超過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的關鍵參數(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材料生產的單一PCB結構 定義的一個額定值。MOT是PCB能夠在任何時長內正常工作又不會顯著降低電路關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材料的熱導率可以用作層壓板散熱效率的相對指示器。該參數(shù)本質上描述了PCB材料的導熱能力，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，熱導率用于預計熱量通過給定材料時的能量損耗率。熱導率的倒數(shù)是熱阻率，或材料阻止熱量流動的能力。

跟蹤熱導率

熱導率取決于材料的各種屬性，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。由于PCB介電材料的熱導率特別低(高Tg FR-4電路材料的熱導率一般在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。

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率。這種材料由陶瓷填充的PTFE復合電介質和標準或反向處理過的電解 (ED)銅箔組成。該材料由于具有很高的熱導率，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，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，因為微波傳輸線結構的尺寸取決于要處理的信號波長。當相對介電常數(shù)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于導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(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鍵 參數(shù)。每種材料的MOT假設為+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 預測。每種材料上都使用2盎司的銅作為導電疊層，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的高熱導率轉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計，經過這些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的高熱導率能轉換成更高的功率處理能力。

當上述三種材料用相同測試電路進行測試，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層壓板作了進一步測試。該測試揭示了非常有趣的銅表面影響力的結果。當測試頻率為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，應該把低損耗、高熱導率和穩(wěn)定的機械溫度特性考慮在內。