高频PCB电路的热效应问题探讨

当高频/微波射频信号馈入PCB电路时，电路因电路本身和电路材料引起的损耗将不可避免地产生一定的热量。损耗越大，通过PCB材料的功率越高，产生的热量也将越大。当电路的工作温度超过额定值时，电路可能产生一些问题。例如，PCB中熟知的典型工作参数MOT，即最高工作温度。当工作温度超过MOT时，PCB电路的性能和可靠性将受到威胁。通过电磁建模和实验测量结合，了解射频微波PCB的热特性有助于避免高温造成的电路性能退化和可靠性降低。

理解电路材料中插入损耗是如何产生的有助于更好描述高频PCB电路热性能相关的重要因素。本文将以微带传输线电路为例探讨电路热性能相关的权衡因素。在双面PCB结构的微带电路中，损耗包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗及泄露损耗。不同损耗成分的差值较大，除了少数例外情况，高频PCB电路的泄露损耗一般很低。在本文中，由于泄露损耗值很低，暂且忽略。

辐射损耗

辐射损耗取决于工作频率、电路基材厚度、PCB介电常数（相对介电常数或εr）及设计方案等诸多电路参数。就设计方案而言，辐射损耗常源于电路中不良的阻抗变换或电路中电磁波传输的差异。电路阻抗变换区域通常包括信号馈入区、阶跃阻抗点、短截线和匹配网络。合理的电路设计可以实现平滑的阻抗变换，进而使电路辐射损耗降低。当然，应该意识到在电路任何接口处都存在阻抗失配导致辐射损耗的可能性。从工作频率的角度来看，通常频率越高，电路的辐射损耗将越大。

和辐射损耗相关的电路材料的参数主要是介电常数和PCB材料厚度。电路基材越厚，引起辐射损耗的可能性越大；PCB材料的εr越低，电路的辐射损耗越大。综合权衡材料特性，使用薄的电路基材可以作为抵消低εr电路材料造成的辐射损耗的一种方式。电路基材厚度和εr对电路辐射损耗的影响是因为它是频率相关的函数。当电路基材厚度不超过20mil且工作频率低于20GHz时，电路的辐射损耗很低。由于本文中的大部分电路建模和测量频率都低于20GHz，故本文的讨论将忽略辐射损耗对电路发热问题的影响。

在20GHz以下忽略辐射损耗后，微带传输线电路的插入损耗主要包含介质损耗和导体损耗两部分，这两者的比重主要取决于电路基材的厚度。对于较薄的基板，导体损耗占主要成分。由于诸多原因，一般很难准确预测导体损耗。例如，导体的表面粗糙度对电磁波的传输特性有巨大影响。铜箔的表面粗糙度不仅会改变微带线电路的电磁波传播常数，还会增加电路的导体损耗。由于趋肤效应，铜箔粗糙度对导体损耗的影响也是和频率相关的。图1比较了基于不同PCB厚度的50欧姆微带传输线电路的插入损耗，厚度分别为6.6mil、10mil。

图1.基于不同厚度PCB材料的50欧姆微带传输线电路比较

实测和仿真结果

图1中的曲线包含实测结果和仿真结果。仿真结果是使用罗杰斯公司的MWI-2010微波阻抗计算软件得到的，MWI-2010软件引用微带线建模领域经典论文中的解析方程求解。图1中的测试数据是通过矢量网络分析仪的差分长度测量方法得到的。从图1中可以看到总损耗曲线的仿真结果和实测结果基本相吻合。从图中可以看出，较薄电路（左边曲线对应厚度为6.6mil）的导体损耗是总插入损耗的主要成分。随电路厚度增加（右边曲线对应的厚度为10mil），介质损耗和导体损耗趋于接近，两者共同构成了总的插入损耗。

图1中的仿真模型和实际电路使用的电路材料参数分别为：介电常数3.66、损耗因子0.0037、铜导体表面粗糙度2.8 um RMS。当相同的电路材料下的铜箔表面粗糙度降低时，图1中的6.6mil和10mil电路的导体损耗会明显降低；而对于20mil电路效果不明显。图2显示了两种粗糙度不同的电路材料的测试结果，分别是粗糙度高的罗杰斯RO4350B™标准电路材料和粗糙度低的罗杰斯RO4350B LoPro™电路材料。

图2可以看到使用光滑铜箔表面基材加工微带线电路的优点。对于越薄的基材，使用光滑铜箔可显著减小插入损耗。对于6.6mil基材，在20GHz时由于使用光滑铜箔插入损耗降低了0.3 dB；10mil基材20GHz时降低了0.22 dB；而20mil基材，插入损耗仅降低0.11 dB。

正如图1和图2所示，电路基材越薄，电路的插入损耗将相对越高。这意味着当电路馈入一定射频微波功率时，越薄的电路将产生更多热量。在综合权衡电路发热问题时，一方面较薄电路在高功率电平下相比于厚的电路会产生更多热量，但另一方面较薄的电路可以通过与散热片获得更有效的热流而保持相对较低的温度。

为解决电路的发热问题，理想的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。