5G技术应用中如何从热管理方面考量选择电路材料

 

[导读] 随着物联网的兴起和移动互联网内容的日渐丰富,人们对移动通信网络的传输速率以及服务质量提出了更高的要求,第五代(5G)无线移动通信技术应运而生并得到快速发展。


       随着物联网的兴起和移动互联网内容的日渐丰富,人们对移动通信网络的传输速率以及服务质量提出了更高的要求,第五代(5G)无线移动通信技术应运而生并得到快速发展。与此同时,5G也将渗透到其他各种行业领域,与工业设施、医疗仪器、车联网等深度融合,有效满足工业、医疗、交通等行业的多样化业务需求,实现真正的“万物互联”。


  高频段毫米波在5G通信中具有显著的优势,如足够的带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益等。美国联邦通信委员会规划用于5G的4个高频段包括3个授权频段和1个未授权频段等,但是寻找这些频段内性能卓越且价格合理的印刷电路板(PCB)材料是一个巨大的挑战。因此,如何正确理解PCB材料的关键参数和特性,选取适合于5G 技术应用频段内应用的PCB材料至关重要。


  下面我们就从热管理方面讨论如何选取适合5G技术应用频段内应用的PCB材料。


    热管理


       当高频/微波射频信号馈入PCB电路时,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。5G设备应用中不仅使用频率升高,设备也趋于小型化,势必产生更大的热量。处理好电路热管理及理解PCB的热特性有助于避免因高温导致的电路性能恶化和可靠性降低。


       热模型


       简单的表示电路的基本热模型及微带线的热流剖面模型如图5所示。在微带线电路中,顶部信号平面是电路发热源,底部接地平面是低温区域或散热平面,两平面之间填充介质材料。在热模型中,热量将从信号平面,通过材料转移到接地平面低温区域实现散热。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。图中热流方程中的k是材料的热传导系统,A是发热源面积,L是材料厚度,(TH-TL)是上下面的温差。热流方程及热模型解释了选择导热系数高、厚度薄的电路材料可以实现更佳的散热和热量管理。


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                                                                          图1:电路的基本热模型


  左)图是基本的热流模型,右)图是微带线电路的热流剖面图模型


      热管理


       设计者通常会从电路效率和损耗角度出发来评估温度上升情况,但是PCB介质作为热源最近的导热体却是对温升影响较大的部分。如图6,我们通过仿真可以发现,在常用的板材中,通过降低板材的Df值来降低温升的方法,没有选用更高导热率的方法有效。尽管在不同材料的介质损耗会最终影响电路的插入损耗,导致产生不同的热量,但相比较,材料的导热系数对于温度变化更为明显。对于相同导热系数值情况下,例如0.4W/m/K,介质损耗Df从0.001到0.004引起的温度上升仅约为0.22°C/W。然而,即使Df同为0.001的材料,导热系数0.2W/m/K到1.5W/m/K的变化却可引起温度降低 0.82°C/W。如果电路的输入功率是50W,那么温度可降低约40°C。


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                                                             图2:仿真计算温度上升随Tc和Df的变化


  除材料的导热系数外,材料的其他的一些参数也对热量管理产生影响。为更好的了解PCB电路热性能相关的影响因素,表7展示了基于不同材料,不同材料厚度、损耗因子、导热系数、铜箔粗糙度以及插入损耗的电路的温度变化结果。该表为对比不同电路材料的热效应提供了参考。对比1号与2号电路,两者的差异是电路的厚度,因此PCB材料厚度的变化会导致温升的差异。厚度越薄,散热路径越短,相同条件下温升越低;对比2号与3号电路,两者的差异主要在不同铜箔粗糙度带来的插入损耗的不同。铜箔表面粗糙度越小,插入损耗越低,温升越小;电路4材料是FR-4,该材料基本不用在微波/毫米波波段。作为例子可以看到FR-4在多个方面存在不足,如高的介质损耗,导体损耗和较低的导热率,从而在相同电路下具有最高的插入损耗,导致温升显著增加。电路5是基于罗杰斯RT/duroid 6035HTC PTFE 陶瓷材料,该材料具有高达1.44W/m/K的导热率,具有最好的导热特性,同时具有非常低的损耗因子,插入损耗最低,在相同输入功率下它的温升最低,非常适合于高功率微波应用。


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                                                             图3:不同材料及厚度下热量测试的对比


  因此,对电路的热量管理要选择相对薄的电路材料,同时选择高导热率、铜箔表面光滑、低损耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波频段下电路的发热情况。


  多层板设计


  5G技术不仅要更小型化的基站设备,天线的尺寸也要小型化。同时,将有源电路与天线相结合的有源天线系统将作为即将到来的5G网络的重要组成部分。小型化的设计以及有源天线系统都要求电路更多的应用多层板的设计。


  Z轴热膨胀系数


  通常用于高频PCB板的热塑性材料是聚四氟乙烯,可通过各种形式的填料如玻璃纤维或陶瓷材料加固增强。相比热固性材料,PTFE的热塑性材料通常有更好的电气性能,具有较小的电气损耗,但PTFE材料的Z轴热膨胀系数都比铜高不少。在制作多层板时,当电路板经过高温时因材料与铜的热膨胀系数不同而发生不同的膨胀导致PTH过孔的可靠性失效。


  选择低热膨胀系数的材料对于高频多层板应用中过孔的可靠性重要性不言而喻。罗杰斯公司研究发现,在PTFE热塑性材料中添加一些特殊的陶瓷填料可改善材料的热膨胀系数。兼具PTFE材料本身具有的低的温度特性和电气特性,这种材料非常适合于高频毫米波多层板的应用。如罗杰斯公司的RO3000系列电路板材料,其Z轴的热膨胀系数低至24ppm/°C,仅需使用一个简单的等离子体处理工艺就可完成高可靠性过孔;且它具有极低的介质损耗,非常适合于高频多层板的电路设计。


  阻抗匹配


  高频微波/毫米波多层电路板中过孔设计及加工控制也是需要关注的方面。在过孔的设计和加工中,过孔的大小,孔内铜厚,孔外表层焊盘大小,以及孔与接地面之间的间距等都会对过孔的寄生电容和寄生电感产生影响。从而影响过孔的分布参数,导致整体线路的失配,这种情况在微波/毫米波频段更为明显。在7.3mil罗杰斯RO4350B Lopro覆铜板两面叠合8mil的RO4450F碳氢化合物陶瓷半固化片制作成4层分别包含通孔微带线电路。通过实验我们发现,比较通孔电路,其具有相同的通孔长度和铜厚,但孔径较小和孔焊盘较小的电路具有更小的寄生电容、更好的宽带特性和回波损耗,如图8给出了通过减小通孔孔径和孔焊盘引起的阻抗阶跃变化,从而提高电路回波损耗及射频带宽的实测数据。


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                                                                 图4:通孔阻抗变化对射频性能的影响


  总的来说,5G技术的不断发展和对微波频段的需求对于PCB材料的性能提出了更高的要求。根据频率选择合适的板厚,选择损耗因子小的PCB材料,理解PCB 材料铜箔表面粗糙度的影响而选取不同铜箔,以及合适的表面处理工艺有利于降低电路的插入损耗。高导热率的PCB材料有利于5G应用中更小尺寸,更高集成度电路的热量管理,实现最佳的散热方案。同时,合适的PCB材料类型,材料的热膨胀系数,过孔加工及可靠性能都将最终决定材料的选型。


 

  




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