高频PCB电路的热效应问题解析

薄电路应该具有下述特征：电路材料低损耗因子、光滑铜薄表面、低εr和高热导率。相比于高εr的电路材料，低εr条件下得到的同一阻抗的导体宽度可以更大，这有利于减小电路的导体损耗。从电路热量耗散的角度，对于大部分高频PCB电路基材，虽然其相对于导体来说都是非常差的热传导性，但电路材料的热导率依然是一个非常重要的参数。

　　大量关于电路基材热导率的讨论在早期文章中已被阐述，本文将引用早期文章中的部分结果和信息。例如，下述等式和图3都有助于理解PCB电路材料热性能相关的 影响因素。在方程中，k是热导率（W/m/K），A是面积，TH是热源温度，TC是冷源温度，L是热源和冷源之间的距离。

　　图2.基于不同介质层厚度和铜导体粗糙度的微带传输线损耗对比

　　热模型

　　图 3及其中方程是微带线电路热模型的一种简单表示。在微带线电路中，顶部导体层作为信号平面，底部导体层作为接地平面，两平面之间填充介质层。在图3的热模 型中，假设信号平面作为热源且热量是由信号平面产生的，接地平面具有散热片且作为冷源，基材则作为热导体将热量从信号平面转移到接地平面。虽然实际微带线 电路的热量产生过程是复杂的，但对于简单的热模型，这样的假设是可以接受的。实际上，电路基材是一种导热很差的热导体。举例来说，铜作为良好的热导体，其 热导率为400W/m/K；而大部分商用PCB基材的热导率远小于此值，仅为0.2 到0.3 W/m/K。

　　热流方程解释了为什么薄的电路（更小的L）可以改善热流并能在高功率水平下实现更佳散热。同时，在高功率条件下，相比于低热导率基材，高热导率基材能够热流更高，能够实现更佳散热。

　　图3.微带传输线电路的基本热模型，信号平面是热源，带有散热片的接地平面是冷源

　　高 频PCB电路的功率极限值取决于该功率水平下电路发热所达到的温度。电路材料UL安全认证也可以获得材料的额定热指数（RTI），该指数是电路材料在不恶 化PCB关键性能条件下工作一定时长所允许的最大温度。当基材制作实际电路时，从热处理的角度还必须考虑一些其他因素。例如，电路还可以进行MOT评估， 用于衡量电路材料在不恶化PCB关键性能条件下工作一定时长所允许的最大温度。对于相同PCB电路材料，MOT值总是低于RTI值。

　　PCB 的射频微波功率大小受限于电路的MOT和电路的工作环境。如果加载的功率导致的电路发热没有超过电路的MOT，那该功率电平是可以接受的。当然，加载的功 率会导致电路发热并使电路温度超过外部环境温度。当外部温度是+25°C，加载的射频微波功率产生的热量不会超过MOT。当外部温度为+50°C时，仍给 该电路施加相同的功率水平，电路产生的热量可能超过MOT并使电路产生问题。如上分析，高频PCB电路的功率大小在一定程度上也依赖于外部工作环境。

　　影响因素

　　为 更好了解PCB电路热性能相关的影响因素，使用图1和图2结构的50欧姆微带传输线电路展开研究。在相同类型的PCB材料上加工了不同厚度和不同铜粗糙度 的电路。此外，除了在低损耗PCB材料上加工紧耦合接地共面波导微带线电路外，在高损耗PCB材料上也加工了电路以进行评估。输入的射频微波功率范围为 5W到85W，所有电路在3.4GH在的回波损耗均高于18dB且以0.25英寸的覆盖铜板作为散热片。通过COOLSPAN®电热导体膜将电路覆盖在散 热片上，这种热固粘合材料的热导率为6 W/m/K。

　　使用红外成像仪记录一定功率条件下电路的发热情况。为保证测量的准确性，红外成像仪视 野中的电路及其表面的颜色应该一致。使用黑漆作为表面颜色可使热成像仪获得准确的热成像图。但不利的是，使用黑漆会增加传输线的插入损耗。插入损耗的增加 使记录的热量会有所增加，可以认为是最坏情况产生的热量。此外，由于共面波导的地线-信号线-地线区域覆盖了黑漆且该区域的电流密度较大，因此对接地共面 波导插入损耗（温升）的影响大于微带线电路。

　　表1展示了不同电路的电路结构、材料种类和特性参数、插入损耗及温度上升结果。该表为对比不同 电路材料的热效应提供了大量信息。例如，从表中可以对比基于相同电路基材而使用不同铜箔粗糙度的电路的热效应，3号电路使用粗糙的铜箔，4号电路使用光滑 的铜箔。与预期相同，光滑铜箔表面的电路比粗糙铜箔表面的电路的插入损耗更低，因此4号电路的温升也更小。

　　表1.相同功率条件下基于不同结构和材料的电路温升

对比1号电路和3号电路可以发现PCB材料厚度的改变会导致上升温度的差异。这两个电路除了PCB厚度不同外，材料种类和铜的粗糙度