Fossa d'evitació de fallades tèrmiques de la placa RF d'alta freqüència: com combinar amb precisió el substrat amb un coeficient de conductivitat tèrmica adequat
Paràmetres bàsics de conductivitat tèrmica per a diferents tipus de materials
| Tipus de material | Conductivitat tèrmica típica | Característiques bàsiques |
|---|---|---|
| Substrat ceràmic de nitrur d'alumini (AlN). | 150~180 W/mK | Conductivitat tèrmica extremadament alta, CTE propera als xips de silici, reduint significativament l'estrès tèrmic |
| Substrat ceràmic d'òxid d'alumini | ~20~30 W/mK | Resistència a la temperatura extremadament forta, adequada per a escenaris d'alta-freqüència, durs i d'alta-potència per sobre de 50 GHz |
| Substrat a base d'alumini d'alta potència | Superior o igual a 0,8 W/mK | Cost moderat, adequat per a escenaris de RF convencionals de potència mitjana a alta |
| PTFE farcit de ceràmica (com Taconic RF-60) | 0,4 W/mK | Equilibra la baixa pèrdua dielèctrica i la conductivitat tèrmica bàsica, adequat per a escenaris d'alta-freqüència en comunicacions i control industrial |
| Rogers RO5870 | 0,22 W/mK | Baixa pèrdua dielèctrica, adequada per a radars de potència convencionals de 8-40 GHz i escenaris d'ones mil·límetres 5G |
| Rogers RO5880 | 0,2 W/mK | Df ultra baix, optimitzat per a escenaris de baixa pèrdua d'ones mil·límetres |
| FR4 modificat | 0,3 ~ 0,5 W/mK | Cost extremadament baix, només apte per a escenaris de baixa-potència i baixa-freqüència per sota de 2,5 GHz |
Principis bàsics de judici per seleccionar el coeficient de conductivitat tèrmica
Nivell de potència de concordança de prioritat: per a escenaris de flux de calor elevat, com ara amplificadors d'alta-potència i radars aerotransportats, es prefereixen els substrats de ceràmica AlN per evitar un sobreescalfament local que pot provocar una fallada del dispositiu; En escenaris de comunicació convencionals de baixa o mitjana potència, els materials d'alta freqüència basats en PTFE- amb una potència de 0,2 ~ 0,5 W/mK poden complir els requisits.
Tenint en compte el rendiment elèctric d'alta-freqüència: l'índex Df no es pot sacrificar per aconseguir una alta conductivitat tèrmica. La banda de freqüència d'ona mil·limètrica ha de garantir una Df inferior o igual a 0,002. Sota aquesta premissa, la conductivitat tèrmica s'ha de maximitzar per evitar que la pèrdua de senyal es converteixi en calor addicional.
Coincidència síncrona CTE: el coeficient d'expansió tèrmica del material seleccionat hauria d'estar proper al dels xips centrals com ara GaAs i silici per evitar l'esquerda de la soldadura durant el cicle de temperatura. Els substrats ceràmics tenen avantatges importants en aquest sentit.
Prioritat de verificació de simulació: les dades de simulació mostren que en les mateixes condicions de Df, augmentar la conductivitat tèrmica de 0,2 W/mK a 1,5 W/mK pot reduir l'augment de temperatura per unitat de potència d'entrada en 0,82 graus/W. Amb una potència d'entrada de 50 W, la refrigeració general pot arribar als 40 graus, que és molt millor que simplement reduir l'efecte de dissipació de calor de Df.
Esquema de selecció òptim per a escenaris típics
Escenaris d'alta potència per a la comunicació de radar/satèl·lit militar: trieu un substrat de ceràmica AlN amb una conductivitat tèrmica de 150-180 W/mK i combineu-lo amb una capa dielèctrica de PTFE farcida de ceràmica per aconseguir una pèrdua de senyal molt baixa i una capacitat de dissipació de calor màxima.
Escenari de radar d'ona mil·limètrica 5G/77GHz muntat en vehicle: es prefereix Rogers RO5870, amb una conductivitat tèrmica de 0,22 W/mK que pot complir els requisits de refrigeració de potència convencionals alhora que garanteix un Df inferior o igual a 0,0012, equilibrant el rendiment i el cost.
Control industrial/escenaris de comunicació de potència petita i mitjana: seleccioneu materials de PTFE farcits de ceràmica com Taconic RF-60, amb una conductivitat tèrmica de 0,4 W/mK que és adequada per a la majoria dels escenaris, alhora que té una excel·lent estabilitat constant dielèctrica i una forta compatibilitat de processament.
Escenari de baix cost, baixa -freqüència i baixa-potència: s'ha seleccionat el FR4 modificat de conductivitat tèrmica alta, amb un coeficient de conductivitat tèrmica superior o igual a 0,8 W/mK, adequat per a escenaris de RF no durs per sota de 2,5 GHz, controlant molt els costos del material.