微波射頻設計中電子材料的選擇對熱管理的影響

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材料介電常數的選擇將決定微 波/射頻電路的尺寸和密度，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 數的材料，有助于最大程度地減小傳輸線的插損，并優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。每種材料的MOT假設為+105℃。在每個計算用例中，使用的環境溫度都是+25℃（室溫），同時，針對不同的功率電平，對環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現，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，FR-4相對于環境的溫升約為+75℃；而RO4350B層壓板相對環境溫升約+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，在溫升高于環境溫度接近+90℃時，FR-4實際表現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展現出最高的溫升——達到+109℃（+229℉）或相對環境溫度升高了+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，相對環境的溫升僅為+36℃（從+25℃到+62℃）。