Wgłębienie zapobiegające awariom termicznym płyty RF o wysokiej częstotliwości: jak dokładnie dopasować podłoże o odpowiednim współczynniku przewodności cieplnej
Podstawowe parametry przewodności cieplnej dla różnych typów materiałów
| Rodzaj materiału | Typowa przewodność cieplna | Podstawowe funkcje |
|---|---|---|
| Podłoże ceramiczne z azotku glinu (AlN). | 150 ~ 180 W/mK | Niezwykle wysoka przewodność cieplna, współczynnik CTE zbliżony do chipów krzemowych, znacznie zmniejszający naprężenia termiczne |
| Podłoże ceramiczne z tlenku glinu | ~20~30 W/mK | Niezwykle duża odporność na temperaturę, odpowiednia dla-scenariuszy o wysokiej częstotliwości, w trudnych warunkach i o dużej-mocy powyżej 50 GHz |
| Podłoże na bazie aluminium o dużej mocy | Większy lub równy 0,8 W/mK | Umiarkowany koszt, odpowiedni dla konwencjonalnych scenariuszy RF o średniej i dużej mocy |
| PTFE z wypełnieniem ceramicznym (np. Taconic RF-60) | 0,4 W/mK | Równowaga między niskimi stratami dielektrycznymi a podstawową przewodnością cieplną, odpowiednia do scenariuszy-wysokiej częstotliwości w komunikacji i sterowaniu przemysłowym |
| Rogersa RO5870 | 0,22 W/mK | Niska strata dielektryczna, odpowiednia dla radarów o mocy konwencjonalnej 8–40 GHz i scenariuszy fal milimetrowych 5G |
| Rogersa RO5880 | 0,2 W/mK | Bardzo niski Df, zoptymalizowany pod kątem scenariuszy niskich strat fal milimetrowych |
| Zmodyfikowany FR4 | 0,3 ~ 0,5 W/mK | Niezwykle niski koszt, odpowiedni tylko w scenariuszach o niskiej-mocy i niskiej-częstotliwości poniżej 2,5 GHz |
Podstawowe zasady oceny wyboru współczynnika przewodności cieplnej
Poziom mocy zgodny z priorytetem: w przypadku scenariuszy charakteryzujących się wysokim przepływem ciepła, takich jak-wzmacniacze dużej mocy i radary pokładowe, preferowane są podłoża ceramiczne AlN, aby uniknąć lokalnego przegrzania, które może spowodować awarię urządzenia; W scenariuszach komunikacji konwencjonalnej o małej i średniej mocy,-materiały o wysokiej częstotliwości na bazie PTFE i mocy 0,2–0,5 W/mK mogą spełnić te wymagania.
Biorąc pod uwagę parametry elektryczne-wysokiej częstotliwości: nie można poświęcić wskaźnika Df na rzecz uzyskania wysokiej przewodności cieplnej. Pasmo częstotliwości fali milimetrowej musi zapewniać Df mniejsze lub równe 0,002. Zgodnie z tym założeniem należy zmaksymalizować przewodność cieplną, aby uniknąć zamiany utraty sygnału na dodatkowe ciepło.
Synchroniczne dopasowanie CTE: współczynnik rozszerzalności cieplnej wybranego materiału powinien być zbliżony do współczynnika rozszerzalności rdzeni, takich jak GaAs i krzem, aby zapobiec pękaniu lutowia podczas wahań temperatury. Podłoża ceramiczne mają pod tym względem znaczne zalety.
Priorytet weryfikacji symulacji: Dane symulacyjne pokazują, że w tych samych warunkach Df zwiększenie przewodności cieplnej z 0,2 W/mK do 1,5 W/mK może zmniejszyć wzrost temperatury na jednostkę mocy wejściowej o 0,82 stopnia/W. Przy mocy wejściowej 50 W całkowite chłodzenie może osiągnąć 40 stopni, co jest znacznie lepsze niż zwykłe zmniejszenie efektu rozpraszania ciepła przez Df.
Optymalny schemat selekcji dla typowych scenariuszy
Scenariusze dużej mocy dla wojskowej komunikacji radarowej/satelitarnej: wybierz podłoże ceramiczne AlN o przewodności cieplnej 150-180 W/mK i połącz je z warstwą dielektryka PTFE wypełnioną ceramiką, aby uzyskać wyjątkowo niską utratę sygnału i najwyższą zdolność rozpraszania ciepła.
Scenariusz z radarem montowanym w pojeździe 5G na falach milimetrowych/77 GHz: preferowany jest Rogers RO5870 o przewodności cieplnej 0,22 W/mK, który może spełnić wymagania konwencjonalnego chłodzenia mocy, zapewniając jednocześnie Df mniejszy lub równy 0,0012, równoważąc wydajność i koszt.
Sterowanie przemysłowe/scenariusze komunikacji małej i średniej mocy: Wybierz materiały PTFE z wypełnieniem ceramicznym, takie jak Taconic RF-60, o przewodności cieplnej 0,4 W/mK, która jest odpowiednia dla większości scenariuszy, a jednocześnie charakteryzuje się doskonałą stałą stabilnością dielektryczną i dużą zgodnością przetwarzania.
Scenariusz niskiego kosztu, niskiej-częstotliwości i{1}}mocy: wybrano FR4 ze zmodyfikowaną wysoką przewodnością cieplną i współczynnikiem przewodności cieplnej większym lub równym 0,8 W/mK, odpowiedni do łagodnych scenariuszy RF poniżej 2,5 GHz, co znacznie kontroluje koszty materiałów.