5G技術應用中如何從熱管理方面考量選擇電路材料

　　隨著物聯(lián)網的興起和移動互聯(lián)網內容的日漸豐富，人們對移動通信網絡的傳輸速率以及服務質量提出了更高的要求，第五代（5G）無線移動通信技術應運而生并得到快速發(fā)展。與此同時，5G也將滲透到其他各種行業(yè)領域，與工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、車聯(lián)網等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

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

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

　　熱管理

　　當高頻/微波射頻信號饋入PCB電路時，因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產生一定的熱量。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

　　簡單的表示電路的基本熱模型及微帶線的熱流剖面模型如圖5所示。在微帶線電路中，頂部信號平面是電路發(fā)熱源，底部接地平面是低溫區(qū)域或散熱平面，兩平面之間填充介質材料。在熱模型中，熱量將從信號平面，通過材料轉移到接地平面低溫區(qū)域實現(xiàn)散熱。雖然實際微帶線電路的熱量產生過程是復雜的，但對于簡單的熱模型，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(tǒng)，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(shù)高、厚度薄的電路材料可以實現(xiàn)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）圖是微帶線電路的熱流剖面圖模型

　　熱管理

　　設計者通常會從電路效率和損耗角度出發(fā)來評估溫度上升情況，但是PCB介質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，我們通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，在常用的板材中，通過降低板材的Df值來降低溫升的方法，沒有選用更高導熱率的方法有效。盡管在不同材料的介質損耗會最終影響電路的插入損耗，導致產生不同的熱量，但相比較，材料的導熱系數(shù)對于溫度變化更為明顯。對于相同導熱系數(shù)值情況下，例如0.4W/m/K，介質損耗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(shù)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(shù)外，材料的其他的一些參數(shù)也對熱量管理產生影響。為更好的了解PCB電路熱性能相關的影響因素，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(shù)、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在多個方面存在不足，如高的介質損耗，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技術不僅要更小型化的基站設備，天線的尺寸也要小型化。同時，將有源電路與天線相結合的有源天線系統(tǒng)將作為即將到來的5G網絡的重要組成部分。小型化的設計以及有源天線系統(tǒng)都要求電路更多的應用多層板的設計。

　　Z軸熱膨脹系數(shù)

　　通常用于高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯，可通過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(shù)都比銅高不少。在制作多層板時，當電路板經過高溫時因材料與銅的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同的膨脹導致PTH過孔的可靠性失效。

　　選擇低熱膨脹系數(shù)的材料對于高頻多層板應用中過孔的可靠性重要性不言而喻。羅杰斯公司研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)。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(shù)低至24ppm/°C，僅需使用一個簡單的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過孔；且它具有極低的介質損耗，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孔設計及加工控制也是需要關注的方面。在過孔的設計和加工中，過孔的大小，孔內銅厚，孔外表層焊盤大小，以及孔與接地面之間的間距等都會對過孔的寄生電容和寄生電感產生影響。從而影響過孔的分布參數(shù)，導致整體線路的失配，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電路。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，比較通孔電路，其具有相同的通孔長度和銅厚，但孔徑較小和孔焊盤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給出了通過減小通孔孔徑和孔焊盤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測數(shù)據。

　　圖4：通孔阻抗變化對射頻性能的影響

　　總的來說，5G技術的不斷發(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，實現(xiàn)最佳的散熱方案。同時，合適的PCB材料類型，材料的熱膨脹系數(shù)，過孔加工及可靠性能都將最終決定材料的選型。