基于电路板选择的射频计的热管理方案

在选择在大功率电平和高频下有助于最大限度减小热量产生的PCB材料时，还有许多其他的参数也很有用。在某个温度点，某些材料会改变其状态，这个温度就是其中的一个参数——被称为液态玻璃化转变温度或玻璃化转变温度(简写为Tg)。例如，它能够指示在一种材料的CTE特性中，将发生巨大改变的温度(图1)。由于材料的CTE会经历相当大的变化，当工作温度超过Tg时，材料的机械和电气性能会变得不稳定，因此，除了短暂的处理过程(如在回流焊过程中，材料要求处于较高温度下)外，工作温度应始终保持在该温度以下。

 

图1：PCB材料的热膨胀系数(CTE)特性在高于材料的玻璃化温度Tg时会发生急剧变化，并且在机械和电气方面变得不稳定。

 

另外一个与温度有关的关键参数是PCB的最高工作温度(MOT)。MOT是保险商实验室(UL)给特定电路制作场所使用特定PCB材料生产的单一PCB结构定义的一个额定值。MOT是PCB能够在任何时长内正常工作又不会显著降低电路关键性能属性的最高温度。如果电路在高于MOT的温度下工作了一段较长时间，可靠性风险将值得考虑。MOT额定值意味着为PCB提供了安全的高温指示，虽然它并未包含高输入功率电平对PCB的影响。

 

PCB材料的热导率可以用作层压板散热效率的相对指示器。该参数本质上描述了PCB材料的导热能力，其计量单位是每米材料每开尔文温度的瓦特功率。与电导率和电子在材料中的流动类似，热导率用于预计热量通过给定材料时的能量损耗率。热导率的倒数是热阻率，或材料阻止热量流动的能力。

 

跟踪热导率

 

热导率取决于材料的各种属性，例如其分子结构。举例来说，玻璃是一种较差的热导体，具有1.1W/(m-K)的极低热导率。另一方面，铜对热量流动的阻抗很低，具有401W/(m-K)的非常高的热导率。由于PCB介电材料的热导率特别低(高Tg FR-4电路材料的热导率一般在0.24W/(m-K)左右)，因此热量能够很容易地在大功率PCB的导线(这些导线通常是用具有极低热阻的铜做的)上积聚起来。但选择具有较高热导率的PCB材料，允许电路工作在较高的功率电平。

 

下表对一些典型的PCB层压材料进行了比较(其中包括Rogers公司相对较新的产品RT/duroid 6035HTC层压材料)。如表中所示那样，RT/duroid 6035HTC材料具有比FR-4、甚至若干低损耗高频层压材料高得多的热导率。这种材料由陶瓷填充的PTFE复合电介质和标准或反向处理过的电解(ED)铜箔组成。该材料由于具有很高的热导率，因而被广泛地用于数百瓦特的功率微波放大器中进行高效的热管理。在z轴上，它在10GHz时的相对介电常数为3.50，并且其在整个电路板上的公差保持在±0.05之内，从而保持传输线的阻抗一致。x和y轴的CTE是19ppm/℃，与铜的CTE接近匹配。

 

当然，在电路设计中，正确的热管理并不只是简单地选择具有最佳热属性的电路层压板。有许多其它因素会影响工作在给定功率电平和频率的电路的温度。例如，电路材料由耗散因数来表征，它是由介电材料引起的损耗。还有通过传导性传输线(例如微带线或带状线电路)的损耗，并且越高的插入损耗，将导致传输线在较高的功率电平下产生越多的热量。PCB上铜导体的粗糙性会导致插损的增加，特别是在较高频率时。

 

此外，PCB材料介电常数的选择将决定射频/微波电路的尺寸和密度，因为微波传输线结构的尺寸取决于要处理的信号波长。当相对介电常数较大时，达到给定阻抗所需的传输线的尺寸会较小，而PCB的功率处理能力将受限于导线的宽度和插损以及地平面间距。举例来说，对于一个放大器电路，选择具有较小相对介电常数的PCB材料，对于给定阻抗可以使传输线更宽，从而改善热流。使用相对介电常数较大的PCB材料，将导致更细的传输线尺寸和间距更密的电路，因而在大功率电路中可能形成热点。另外，选择低耗散因数的材料，有助于最大程度地减小传输线的插损，并优化放大器电路的增益。