Справочник проектировщика печатных плат. Основы радиочастотных/СВЧ печатных плат. Глава 8.1. Управление тепловым режимом

автор Джон Буши (John Bushie) – Директор по Технологиям в American Standard Circuits. Аная Вардия (Anaya Vardya) – Президент и Генеральный директор American Standard Circuits |

Быстрый рост в использовании RF/сверхвысокочастотных диапазонов привел к увеличению плотности радио/сверхвысокочастотных устройств для достижения эскалации частот для поддержки эволюции дизайнов «быстрее, меньше, дешевле». Эти ограничения требуют эффективного управления теплом. Термальный менеджмент или управление теплом играет очень важную роль в разработке RF/сверхвысокочастотных электронных устройств. Когда сигналы проходят в высокочастотных устройствах, вырабатывается достаточно большое количество тепла, особенно при усилении высокочастотных сигналов. Надежная функциональность RF/сверхвысокочастотных устройств зависит от поддержки постоянной величины диэлектрической постоянной диэлектрического слоя печатной платы.

Диэлектрическая постоянная меняется в зависимости от температуры. Следовательно, это оказывает прямое влияние на высокочастотную эффективность схемы, так как изменения диэлектрической постоянной приводят к изменению в импедансе  RF/сверхвысокочастотных схем. Изменения диэлектрической постоянной происходят из-за того, что любой подъем температуры приводит к увеличению теплопроводности. В результате это приводит к снижению диэлектрической постоянной (так как диэлектрическая постоянная обратно пропорциональна теплопроводности). Необходим тщательный контроль характеристик материала печатной платы, таких как тепловой коэффициент диэлектрической постоянной и СТЕ, чтобы обеспечить эффективный уровень сигнала и мощности.

Термальный менеджмент RF/сверхвысокочастотных компонентов, схем или систем состоит в общем просто в удалении тепла с чувствительных областей устройства, которые могут получить повреждение или ухудшение из-за тепла. Эта глава в первую очередь фокусируется на различных методах использования металла для улучшения теплового менеджмента. Также важно понимать, что вне функции теплового менеджмента, металл также действует как слой заземления. Теплопоглотители и печатные платы обычно соединяются термально и электрически, и важно использовать радиаторы для контроля рассеивания тепла и заземления схем.

На высоком уровне есть два способа достичь теплового управления RF печатных плат, которое использует метал: первый – предварительное соединение, второй – последующее соединение. Покрытие с предварительным соединением дороже по затратам и обычно одностороннее, хотя ASC имеет проприетарную способность для этого внутри многослойной платы. В предварительно соединенной схеме платы поставщик ПП покупает материал покрытия предварительно соединенный с металлом. Процесс с последующим соединением наиболее распространен в многослойных устройствах. Большинство доступных на рынке RF/сверхвысокочастотных материалов покрытия могут быть приобретены в предварительно соединенной конфигурации. Два основных поставщика, занимающих основное место на этом рынке, это - Rogers и Taconic. Затем производитель ПП занимается обработкой этого материала, созданием схем и обработкой металла. В схеме с последующим соединением поставщик ПП производит печатную плату и металл одновременно и раздельно, а затем соединяет их вместе, используя различные методы.

Есть ряд преимуществ и недостатков этих способов. Платы с предварительным соединением обычно используются в высоконадежных, военных, авиационных и телекоммуникационных устройствах, так как они предлагают точных контроль диэлектрической постоянной, отсутствие риска отслоения покрытия и высокую надежность. Два недостатка этого метода: запрещено для однослойной схемы; затраты у предварительно соединенных плат значительно выше, чем у плат с последующим соединением, в большой мерее из-за высокой цены и увеличения риска обработки материалов с низкими потерями, соединенными с толстым металлическим слоем. Проще говоря, затраты выше, потому что материалы покрытия значительно более дорогие, обработка более сложная и любые проблемы с выходом приводят к очень дорогостоящему лому. Существуют ситуации, когда предварительно соединенные платы могут быть конвертированы в платы с последующим соединением для снижения издержек. Любое многослойное устройство, требующее металла для теплового менеджмента, должно использовать метод последующего соединения.

Покрытия с предварительным соединением

Есть несколько параметров разработки, которые важно учитывать, начиная с выбора покрытия. Первый шаг – это определение диэлектрического материала, толщины диэлектрика и веса медной фольги, походящие для вашего устройства. Следующий шаг – определение толщины и типа металла, который будет использоваться. Наиболее часто используемые металлы включают алюминий 6061-T6 и медь C110, но в зависимости от устройства, может использоваться и латунь. Рис.8.1 показывает стандартный предварительно соединенный материал. И опять же важно учитывать баланс затрат и выгод, так как хотя алюминий легче и дешевле, чем медь, производителю ПП его труднее обрабатывать в предварительно соединенных устройствах.

Рис. 8.1: Предварительно соединенный металл.

Таблица 8.1: Свойства металлов.

Таблица 8.1 показывает стандартные свойства алюминия и меди. Когда выбор материала сделан, критически важно привлечь поставщика ПП и/или производителя материала, чтобы убедиться, что ваш выбор доступен и подходит для производства. В зависимости от требований оборудования, может потребоваться большая толщина металла, чем ваша окончательная толщина.

Источник: Джон Буши и Аная Вардия (John Bushie, Anaya Vardya),
American Standard Circuits,
© 2018
BR Publishing, Inc.

Назад