電和熱作用對PCB微波電路性能的影響

印刷電路板（PCB）材料的特性通常會受到溫度變化的影響，而電熱相互作用也會影響在不同PCB材料上制作的微波電路的性能。組裝在電路上的器件或者外部設(shè)備上的高頻電路和器件都可能導(dǎo)致PCB發(fā)熱。本文介紹了大量研究情況和結(jié)果，以說明不同的電和熱相互作用是如何能影響不同PCB材料的性能。

當PCB受熱時，其性能可能會發(fā)生變化，這是由于電熱效應(yīng)相互作用導(dǎo)致了某些性能問題。而電路設(shè)計工程師經(jīng)常會問PCB能處理多大功率容量，也與PCB的電熱相互作用密切相關(guān)。了解這些相互作用及它們是如何影響不同電路板的特性，可以極大的的幫助設(shè)計人員處理高功率微波應(yīng)用中的PCB材料及故障排除。

雖然PCB內(nèi)發(fā)生的電熱相互作用與熱導(dǎo)率大不一樣，但熱導(dǎo)率參數(shù)也會與一些電氣性能參數(shù)密切相關(guān)。

為了更好地理解PCB材料內(nèi)的電熱相互作用，我們采用如下簡易熱模型的方式來分析可能會有所幫助。這種熱模型可以將導(dǎo)熱材料、發(fā)熱區(qū)，和散熱區(qū)（冷區(qū)）等關(guān)聯(lián)起來（見圖1a）。銅是一種典型的熱導(dǎo)體，熱導(dǎo)率（TC）非常好，約為400 W/m/K。對于更接近于微帶線電路，沒有電鍍通孔（PTH）的PCB的熱流模型，可通過在發(fā)熱區(qū)與散熱區(qū)之間設(shè)置熱絕緣體而對基本熱模型進行修改（見圖1b）。如圖1b所示，圖中的頂部銅層可以看作為微帶線信號層（或發(fā)熱區(qū)），底部銅層看作為地層（或散熱區(qū)），且假設(shè)地層附有散熱底板。PCB行業(yè)內(nèi)所使用的大多數(shù)基板均可視作熱絕緣體，典型的熱導(dǎo)率為0.20~0.30 W/m/K。

對于圖1a中的基本熱流模型，發(fā)熱區(qū)和散熱區(qū)之間的熱傳導(dǎo)關(guān)系為：

圖1 （a）基本熱流模型；（b）微帶線電路的熱流模型。

其中，H表示熱流，k表示熱導(dǎo)率，A表示發(fā)熱導(dǎo)體界面處的面積，ΔT表示溫度差，L表示熱傳導(dǎo)距離，在模型中假設(shè)整體溫度已達到熱平衡。該簡化模型和熱流方程表明，較低的熱導(dǎo)率使發(fā)熱與散熱區(qū)域之間熱流或熱傳導(dǎo)較少。在微帶線電路的情況中，如圖1b所示，其中PCB板充當具有一定熱導(dǎo)率的傳熱體。同時，發(fā)熱與散熱體之間的距離也會影響熱量的傳導(dǎo)，較薄PCB板有助于增加熱流。總體來說，熱流的增加將會將熱量更有效地傳導(dǎo)至散熱平面，從而使電路保持較低溫度。

基本的微帶線電路熱模型是假設(shè)發(fā)熱來源于信號層，雖然這可能并不完全正確。一般來說，PCB內(nèi)會由于射頻導(dǎo)致發(fā)熱或電路上安裝的有源器件發(fā)熱而產(chǎn)生熱量。如果是由于所安裝的器件而發(fā)熱時，那么這個發(fā)熱源自信號層的簡單模型則是相對更準確。如果是射頻信號導(dǎo)致發(fā)熱，發(fā)熱則與插入損耗有關(guān)，且通常是由包括信號層的導(dǎo)體損耗和基板介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗在內(nèi)的各種損耗之和引起的。在這種情況下，發(fā)熱源并未完全位于導(dǎo)體信號層；然而，對于較薄且以導(dǎo)體損耗為主的電路來說，信號層產(chǎn)生了絕大部分的熱量。更具體地說，熱量將會在電流密度最大的區(qū)域產(chǎn)生，也就是信號導(dǎo)體的銅箔與基板的交界面處。對于熱量是由于射頻發(fā)熱的應(yīng)用來說，熱分布曲線與大電流密度曲線相似。考慮到這一點，將傳輸線與PCB中的邊緣耦合或短截線特性進行比較時，可預(yù)測出不同的熱分布。

材料 熱特性

熱導(dǎo)率是PCB層壓板的一項重要特性，通常大多數(shù)電路材料的熱導(dǎo)率值都很低。盡管幾乎純的PTFE在微波頻率下具有非常優(yōu)秀的電氣性能，但是它的熱導(dǎo)率一般為0.2 W/m/K左右。一些陶瓷增強型PTFE層壓板可提供更高的熱導(dǎo)率，如0.4~0.7W/m/K范圍內(nèi)。一般來說，熱導(dǎo)率高于0.5 W/m/K的PCB材料被認為具有較好的熱導(dǎo)率材料，而1.0 W/m/K以上則被認為是極好的熱導(dǎo)率材料。

影響PCB熱性能的其它材料特性還有如熱膨脹系數(shù)（CTE）、玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）、損耗因子（Df）、介質(zhì)常數(shù)（Dk或εr）、相對熱指數(shù)（RTI）、銅箔表面粗糙度、介電常數(shù)的熱溫度系數(shù)（TCDk）和損耗因子熱溫度系數(shù)（TCDf）等等。CTE和Tg通常用于可靠性考慮。RTI為UL規(guī)定的電路材料的額定值，表示原材料無限期的暴露在其中而不會發(fā)生材料特性退化的最高溫度。當原材料被加工成電路時，還有一個適用于電路功率容量的額定值，即最高工作溫度（MOT）。MOT是指電路的關(guān)鍵特性不發(fā)生退化的情況下可以暴露的最高溫度。MOT總是低于電路材料的RTI值。評估PCB的最大射頻功率容量時，MOT即是電路可長期暴露的最高溫度。

例如，相對于環(huán)境溫度為25°C，溫度上升70°C的電路必須能承受95°C的高溫。如果電路的MOT額定值為105°C，那么電路產(chǎn)生的該溫升的功率電平則是可以接受的。但是，如果電路的溫升高于環(huán)境溫度80°C，那么產(chǎn)生該溫升的外加功率則不可接受。

材料的損耗因子Df和銅箔表面粗糙度由于電路的插入損耗而在PCB上產(chǎn)生的熱量，插入損耗高的電路在外加射頻功率時產(chǎn)生的熱量要比低插入損耗的電路產(chǎn)生的熱量更多。損耗因子Df較低且銅箔表面光滑的電路在外加射頻功率時會由于插入損耗會更低而產(chǎn)生的熱量也會更少。Dk也間接影響電路的插入損耗，因為Dk低的材料能使在給定阻抗下電路具有更寬的導(dǎo)體，從而降低導(dǎo)體損耗、總的電路插入損耗和外加功率產(chǎn)生的熱量?？偟膩碚f，大功率應(yīng)用的理想電路材料應(yīng)是低Dk、低Df、光滑的銅箔表面、薄基板材料及高熱導(dǎo)率，且能承受高MOT。

表1為影響微波電路熱性能特性的不同類型材料的典型值。

對于了解電熱相互作用的其他重要材料特性還有TCDk和TCDf。TCDk是所有電路材料的一個特性，也是一個衡量材料Dk在給定溫度變化時的變化量。同樣，TCDf是衡量材料Df隨溫度變化而變化的量度。這些參數(shù)通常被認為對于溫度環(huán)境中的電路非常重要。例如，具有高TCDk的PCB電路會因為Dk隨著溫度發(fā)生的變化產(chǎn)生阻抗變化，影響電路匹配網(wǎng)絡(luò)的性能。TCDf是損耗預(yù)算特別緊張的電路的一個因素，會因為溫度升高而造成Df增加最終導(dǎo)致電路插入損耗增加。所以，TCDk和TCDf均是考慮材料電熱相互作用影響的重要特性。

PCB的性能也會受到銅箔導(dǎo)體的銅電阻溫度系數(shù)的影響，其中銅的電阻溫度系數(shù)是衡量銅電阻隨著銅加熱的變化程度。對于直流應(yīng)用場景，這比較簡單，但是在微波頻率下會變得較難確定。這是因為在更高的頻率下，導(dǎo)體損耗作為總插入損耗的一部分，由于趨膚效應(yīng)其電阻率具有頻率依賴性。

電和熱  交互及熱測試

為了更好地了解電路上的這些電-熱相互作用，我們進行了多個不同的微波PCB的測試和研究。第一個測試僅考慮直流電源加熱電路時材料熱導(dǎo)率的引起的溫度差異，而忽略射頻功率和損耗問題。第二個測試是微帶濾波器的外部加熱的溫漂特性，并對因此而產(chǎn)生的濾波器性能變化進行了監(jiān)測。第三個測試是利用射頻功率在不同頻率和功率下對采用不同材料的傳輸線電路進行加熱，觀察其溫升情況。最后，通過微帶濾波器測試展示了外加射頻功率時的熱成像圖及對不同曲線的討論。

第一個測試如圖2所示，顯示了厚度相同但TC完全不同的多種材料進行的溫度測試的結(jié)果。這些電路均是基于簡單的雙層PCB電路，并在電路中間焊接了一個電阻模擬器件發(fā)熱。電路安裝在水冷式散熱底板上作為恒定的散熱區(qū)。然后電路施加直流電源，并測量不同功率下的達到熱平衡的溫度。從測試結(jié)果可以很清楚地看到，使用熱導(dǎo)率高的材料的電路的溫升更小。

圖2 不同TC值材料的直流下溫升結(jié)果

接下來的研究測試也是采用多個不同電路材料上制作的電路，所有電路的設(shè)計都是具有相同標稱設(shè)計。電路設(shè)計是一個微帶線邊緣耦合濾波器，采用帶內(nèi)0.1dB波紋切比雪夫設(shè)計，中心頻率2.5 GHz、帶寬235 MHz、通帶回波損耗小于-15dB。盡管電路制作和材料特性的不同，濾波器的中心頻率和帶寬約有微小差異，但中心頻率的變化結(jié)果歸一化后，對本研究的熱測試結(jié)果不會造成任何影響。這個研究的目的旨在說明PCB特性-TCDk在濾波器被加熱時中心頻率偏移情況。圖3就顯示了材料的TCDk值和不同溫度條件下電路計算的TCDk值結(jié)果。

如圖3所示，實際電路測得的TCDk值與數(shù)據(jù)表中的值略有不同，造成這些不同的原因有多個。首先，數(shù)據(jù)表中所示結(jié)果通常是固定式帶狀線諧振器測試中研究材料的結(jié)果，其中通常評估原始基板介質(zhì)材料，而微帶邊緣耦合濾波器測試是經(jīng)過加工后的實際電路。其次，數(shù)據(jù)表中值的測試方法中是采用的是松耦合帶狀線諧振器，對于測量系統(tǒng)校準、電纜和連接器等沒那么敏感。而微帶線邊緣耦合濾波器的測試中的中心頻率等則可能由于校準、電纜和連接器等變化造成影響。還有，這里的微帶線邊緣耦合濾波器測試只是對電路的每個數(shù)據(jù)和材料的簡單研究，由于數(shù)據(jù)有限，我們看到了由于參數(shù)變化引起的結(jié)果和現(xiàn)象，但不能確保統(tǒng)計的有效性。與此相反，數(shù)據(jù)表中對原始基板介質(zhì)材料進行的固定式帶狀線諧振器測試涵蓋了大量樣本，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)也更可靠合理。

第三個研究測試是選用具有不同材料特性的傳輸線電路進行的，通過饋入不同頻率和功率的射頻功率饋入電路使其發(fā)熱來比較升溫情況。表2中列出了所有本研究測試中的材料和電路的性能和關(guān)鍵材料特性，并對溫升做了一個小結(jié)。對表中的一些數(shù)值和參數(shù)進行說明，首先這里的插入損耗值是利用差分長度的方法對電路進行測試所得，電路的是不做任何表面處理或防焊油墨的裸銅。其次，在這一測試中，為了能利用熱成像攝像機進行精確的溫度測量，電路涂刷了對熱成像儀****率高的黑色薄膜層。該黑色薄膜約增加了電路的插入損耗，不同電路的增加有所不同。還需說明的是，表格中RT/duroid5880的銅箔粗糙度為2.8um并非材料的典型銅箔粗糙度特性，而是專門為該研究測試壓合的一種銅箔，在實際產(chǎn)品中不是該銅箔類型，但這里僅針對研究測試。最后，除第三行中的電路是緊耦合的接地共面?zhèn)鬏斁€電路外，其余所有電路都是微帶線電路，黑色薄膜層對該接地共面波導(dǎo)的插入損耗的影響顯著一些。

圖3 常見高頻PCB材料的歸一化Dk/溫度圖表

表2中列出了熱性能比較的大量信息和參數(shù)。對表中的各個電路比較，前兩行中的電路具有相同的厚度和銅箔粗糙度，但是Df和熱導(dǎo)率大大不同?？梢钥吹?，雖然第一行中的材料的插入損耗更低一些，但是在不同頻率和功率下，高熱導(dǎo)率的電路的溫升卻更低一些，這也表面熱導(dǎo)率在電路的熱量管理中起到更大的直接的作用。

第四和五行中的電路具有相同厚度，材料特性也很接近，熱導(dǎo)率也相同，但銅箔表面粗糙度不同。更光滑的銅箔的電路插入損耗更低一些，最終電路的溫升更低。

最后，第六和七行中的電路進行了終極對比。最后一行中的材料擁有最佳特性組合（最大的熱導(dǎo)率、低Df，以及相對光滑的銅箔等），對比不同功率和頻率下電路的溫升也最小。

圖4所示熱成像圖呈現(xiàn)了第二和四行中的電路材料的差異造成的溫升的情況，其中圖片的上部是信號饋入點。圖中顯示了用同一材料，僅材料厚度存在差異的兩個電路的溫升的差異。通過這個測試也進一步證實了在通過某一功率時電路的熱量控制，電路越薄、熱流路徑越短，散熱越快而板上溫度更低的好處。

我們還進行了與傳輸線結(jié)構(gòu)不相同的其它微波電路來進行熱測試和熱管理的分析。這個研究測試是基于常見的微帶邊緣耦合濾波器進行的。

濾波器電路基于20 mil厚的RO4003C電路層壓板材料。設(shè)計的中心頻率為2 GHz，帶寬為175 MHz，通帶回波損耗小于-15 dB。噴涂黑漆后，濾波器特性稍微發(fā)生了些許變化：中心頻率變?yōu)?.010 GHz，帶寬變?yōu)?56 MHz，通帶插入損耗變?yōu)?.5 dB。圖5即為外加射頻功率時該濾波器的測試詳情（包括熱成像）。

圖4 表2中第二和四行電路在85 W、3.4 GHz條件下的熱成像圖

圖5c顯示了在施加30W射頻功率時微帶線帶通濾波器在中心頻率的熱成像圖。在這個熱成像圖中有測量得到的白線曲線與該濾波器電路的高溫區(qū)正好吻合，白線曲線的最高溫度就是濾波器電路中的最高溫度（140°F），出現(xiàn)在濾波器的第二個耦合節(jié)。如果在本實驗中外加信號發(fā)生40MHz的頻移，其饋入信號頻率仍處于通帶內(nèi)，熱成像圖仍基本相同。

圖5 所評估的微帶濾波器的S參數(shù)（a），基本電路結(jié)構(gòu)（b），制作的濾波器外加中心頻率（2.010 GHz）

當射頻信號頻移為80 MHz至1.93 GHz時，剛好位于阻帶邊緣，測試的熱成像圖如圖5d中所示，最高溫度會由于信號反射而變得更高。通過熱成像儀顯示的白色的溫度參考線，可以得知最高溫度出現(xiàn)在濾波器第一個耦合節(jié)處，這與期望是相一致的。

了解高頻電路材料的材料特性差異對于涉及電路散熱和熱管理問題來說至關(guān)重要。一般情況下，電路發(fā)熱問題可分為兩種，一種是電路由于器件的發(fā)熱而發(fā)熱，另一種是電路本身由于射頻功率而發(fā)熱。每一種發(fā)熱都會受到電路材料特性的影響。如前所述，具有最佳熱性能的材料能夠確保對涉及散熱和熱管理的應(yīng)用獲得更可靠的設(shè)計。

參考文獻

1.    John Coonrod, “Improved Thermal Management of Microwave PCBs using Advanced Circuit Materials,” Microwave Journal, November 2011, pp. 92–97.

2.    John Coonrod, “Understanding the Variables of Dielectric Constant for PCB Materials used at Microwave Frequencies,” Euroaligned to the high temperature areas of the resonators pean Microwave Week 2011.