5G技術(shù)應用中如何從熱管理方面考量選擇電路材料

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)內容的日漸豐富，人們對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率以及服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求，第五代（5G）無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)應運而生并得到快速發(fā)展。與此同時(shí)，5G也將滲透到其他各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設施、醫療儀器、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等深度融合，有效滿(mǎn)足工業(yè)、醫療、交通等行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實(shí)現真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。

　　高頻段毫米波在5G通信中具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，如足夠的帶寬、小型化的天線(xiàn)和設備、較高的天線(xiàn)增益等。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )規劃用于5G的4個(gè)高頻段包括3個(gè)授權頻段和1個(gè)未授權頻段等，但是尋找這些頻段內性能卓越且價(jià)格合理的印刷電路板（PCB）材料是一個(gè)巨大的挑戰。因此，如何正確理解PCB材料的關(guān)鍵參數和特性，選取適合于5G 技術(shù)應用頻段內應用的PCB材料至關(guān)重要。

　　下面我們就從熱管理方面討論如何選取適合5G技術(shù)應用頻段內應用的PCB材料。

　　熱管理

　　當高頻/微波射頻信號饋入PCB電路時(shí)，因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。5G設備應用中不僅使用頻率升高，設備也趨于小型化，勢必產(chǎn)生更大的熱量。處理好電路熱管理及理解PCB的熱特性有助于避免因高溫導致的電路性能惡化和可靠性降低。

　　熱模型

　　簡(jiǎn)單的表示電路的基本熱模型及微帶線(xiàn)的熱流剖面模型如圖5所示。在微帶線(xiàn)電路中，頂部信號平面是電路發(fā)熱源，底部接地平面是低溫區域或散熱平面，兩平面之間填充介質(zhì)材料。在熱模型中，熱量將從信號平面，通過(guò)材料轉移到接地平面低溫區域實(shí)現散熱。雖然實(shí)際微帶線(xiàn)電路的熱量產(chǎn)生過(guò)程是復雜的，但對于簡(jiǎn)單的熱模型，這樣的假設是可以接受的。圖中熱流方程中的k是材料的熱傳導系統，A是發(fā)熱源面積，L是材料厚度，（TH-TL）是上下面的溫差。熱流方程及熱模型解釋了選擇導熱系數高、厚度薄的電路材料可以實(shí)現更佳的散熱和熱量管理。

　　圖1：電路的基本熱模型

　　左）圖是基本的熱流模型，右）圖是微帶線(xiàn)電路的熱流剖面圖模型

　　熱管理

　　設計者通常會(huì )從電路效率和損耗角度出發(fā)來(lái)評估溫度上升情況，但是PCB介質(zhì)作為熱源最近的導熱體卻是對溫升影響較大的部分。如圖6，我們通過(guò)仿真可以發(fā)現，在常用的板材中，通過(guò)降低板材的Df值來(lái)降低溫升的方法，沒(méi)有選用更高導熱率的方法有效。盡管在不同材料的介質(zhì)損耗會(huì )最終影響電路的插入損耗，導致產(chǎn)生不同的熱量，但相比較，材料的導熱系數對于溫度變化更為明顯。對于相同導熱系數值情況下，例如0.4W/m/K，介質(zhì)損耗Df從0.001到0.004引起的溫度上升僅約為0.22°C/W。然而，即使Df同為0.001的材料，導熱系數0.2W/m/K到1.5W/m/K的變化卻可引起溫度降低 0.82°C/W。如果電路的輸入功率是50W，那么溫度可降低約40°C。

　　圖2：仿真計算溫度上升隨Tc和Df的變化

　　除材料的導熱系數外，材料的其他的一些參數也對熱量管理產(chǎn)生影響。為更好的了解PCB電路熱性能相關(guān)的影響因素，表7展示了基于不同材料，不同材料厚度、損耗因子、導熱系數、銅箔粗糙度以及插入損耗的電路的溫度變化結果。該表為對比不同電路材料的熱效應提供了參考。對比1號與2號電路，兩者的差異是電路的厚度，因此PCB材料厚度的變化會(huì )導致溫升的差異。厚度越薄，散熱路徑越短，相同條件下溫升越低；對比2號與3號電路，兩者的差異主要在不同銅箔粗糙度帶來(lái)的插入損耗的不同。銅箔表面粗糙度越小，插入損耗越低，溫升越??；電路4材料是FR-4，該材料基本不用在微波/毫米波波段。作為例子可以看到FR-4在多個(gè)方面存在不足，如高的介質(zhì)損耗，導體損耗和較低的導熱率，從而在相同電路下具有最高的插入損耗，導致溫升顯著(zhù)增加。電路5是基于羅杰斯RT/duroid 6035HTC PTFE 陶瓷材料，該材料具有高達1.44W/m/K的導熱率，具有最好的導熱特性，同時(shí)具有非常低的損耗因子，插入損耗最低，在相同輸入功率下它的溫升最低，非常適合于高功率微波應用。

　　圖3：不同材料及厚度下熱量測試的對比

　　因此，對電路的熱量管理要選擇相對薄的電路材料，同時(shí)選擇高導熱率、銅箔表面光滑、低損耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波頻段下電路的發(fā)熱情況。

　　多層板設計

　　5G技術(shù)不僅要更小型化的基站設備，天線(xiàn)的尺寸也要小型化。同時(shí)，將有源電路與天線(xiàn)相結合的有源天線(xiàn)系統將作為即將到來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分。小型化的設計以及有源天線(xiàn)系統都要求電路更多的應用多層板的設計。

　　Z軸熱膨脹系數

　　通常用于高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯，可通過(guò)各種形式的填料如玻璃纖維或陶瓷材料加固增強。相比熱固性材料，PTFE的熱塑性材料通常有更好的電氣性能，具有較小的電氣損耗，但PTFE材料的Z軸熱膨脹系數都比銅高不少。在制作多層板時(shí)，當電路板經(jīng)過(guò)高溫時(shí)因材料與銅的熱膨脹系數不同而發(fā)生不同的膨脹導致PTH過(guò)孔的可靠性失效。

　　選擇低熱膨脹系數的材料對于高頻多層板應用中過(guò)孔的可靠性重要性不言而喻。羅杰斯公司研究發(fā)現，在PTFE熱塑性材料中添加一些特殊的陶瓷填料可改善材料的熱膨脹系數。兼具PTFE材料本身具有的低的溫度特性和電氣特性，這種材料非常適合于高頻毫米波多層板的應用。如羅杰斯公司的RO3000系列電路板材料，其Z軸的熱膨脹系數低至24ppm/°C，僅需使用一個(gè)簡(jiǎn)單的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過(guò)孔；且它具有極低的介質(zhì)損耗，非常適合于高頻多層板的電路設計。

　　阻抗匹配

　　高頻微波/毫米波多層電路板中過(guò)孔設計及加工控制也是需要關(guān)注的方面。在過(guò)孔的設計和加工中，過(guò)孔的大小，孔內銅厚，孔外表層焊盤(pán)大小，以及孔與接地面之間的間距等都會(huì )對過(guò)孔的寄生電容和寄生電感產(chǎn)生影響。從而影響過(guò)孔的分布參數，導致整體線(xiàn)路的失配，這種情況在微波/毫米波頻段更為明顯。在7.3mil羅杰斯RO4350B Lopro覆銅板兩面疊合8mil的RO4450F碳氫化合物陶瓷半固化片制作成4層分別包含通孔微帶線(xiàn)電路。通過(guò)實(shí)驗我們發(fā)現，比較通孔電路，其具有相同的通孔長(cháng)度和銅厚，但孔徑較小和孔焊盤(pán)較小的電路具有更小的寄生電容、更好的寬帶特性和回波損耗，如圖8給出了通過(guò)減小通孔孔徑和孔焊盤(pán)引起的阻抗階躍變化，從而提高電路回波損耗及射頻帶寬的實(shí)測數據。

　　圖4：通孔阻抗變化對射頻性能的影響

　　總的來(lái)說(shuō)，5G技術(shù)的不斷發(fā)展和對微波頻段的需求對于PCB材料的性能提出了更高的要求。根據頻率選擇合適的板厚，選擇損耗因子小的PCB材料，理解PCB 材料銅箔表面粗糙度的影響而選取不同銅箔，以及合適的表面處理工藝有利于降低電路的插入損耗。高導熱率的PCB材料有利于5G應用中更小尺寸，更高集成度電路的熱量管理，實(shí)現最佳的散熱方案。同時(shí)，合適的PCB材料類(lèi)型，材料的熱膨脹系數，過(guò)孔加工及可靠性能都將最終決定材料的選型。