编辑的选择


高性能射频和微波PCB的热管理

2021年10月27日编辑的选择制造/生产技术、硬件和服务

随着新射频和微波系统的发展,我们看到印刷电路板(PCB)和子系统对有效热管理和显著更高射频性能的需求越来越大。同时,这些系统需要减少质量,并提供比以往任何时候都更强大的功能。

此类限制通常在尺寸、重量和功率(SWaP)为高优先级的应用中最为严重,如军事和航空航天,通常包括RF功率放大器和相控阵TxRx模块。本文回顾了各种热管理方法,并详细分析了“硬币”技术相对于传统热通孔技术的优势。

高密度有源功率器件,如GaN功率晶体管,可以散热。PCB必须执行的众多任务之一是尽可能高效地将来自半导体器件下侧的热量引导至所选散热方案。设计挑战是如何最好地实现这一点,同时实现所需的其他权衡,如射频性能、可制造性和成本。

热管理方法

传统上,设计师只需在组件下方的散热/接地垫上添加镀通孔(PTH),通过电路将热量转移到散热片,如冷壁。除非装配过程包括用焊料预填充这些PTH的步骤,否则焊料从部件下方进入孔中的风险很高,从而导致不良且可能不可靠的连接。另一种经常使用的解决方案是,将这些PTH置于组件下方,填充专有的通孔插塞膏,并在顶部电镀,以提供不间断的接地垫。


图1。a) 填充过孔的横截面。


图1。b) 带有过镀过孔的典型设备接地垫的照片清晰可见。

与400 W/m·K的铜导电率相比,通常使用的堵塞膏是不导电的,并且提供约0,6 W/m·K的相对较低的导热率,因此对热传递没有多大贡献。导电和导热浆料,例如载银(Ag)环氧树脂,可用于填充热PTH,但即使使用Ag环氧树脂,这些浆料的热导率通常在4至30 W/m·K范围内,取决于类型,这仍然非常低。图1 a)显示了通过填充过孔的横截面示例。图1 b)显示了接地垫内填充热通孔的典型应用。如果仔细观察,您会注意到中央大接地垫中的热通孔的细微轮廓。

为了提高导热性,一种选择是将PTH的镀壁厚度从标准的25µm增加到100µm。通常,一个接地垫内数量较多的较小PTH比数量较少的较大PTH能提供更有效的热路径。

使用带有PTH的传统接地垫时,热传递的有效性受到限制。图2显示了四种不同情况的计算结果。从壁厚为0.1mm的PTH的典型案例开始,它检查了填充有非导电填料的通孔的整体热导率(图2A)。将此作为基本情况,然后检查增加过孔的数量(图2b),然后将填充从非导电改为导电的两种不同导热系数的银环氧树脂(图2c和d))。可以看出,使用银环氧树脂代替标准非导电插头膏填充通孔的好处是有限的,通常不值得额外的费用。

对于许多前沿应用,图2中所示的总热导率不符合要求。更有效的方法是使用集成到电路结构中的铜币。为了便于比较,图3 A)中显示了一种简单的方法,其中模拟了6 mm x 6 mm的方形硬币。

一种更常用的方法是将硬币分级,这样热量不仅可以有效地传导,而且可以扩散。图3 b)中对其进行了建模,图3 c)中显示了一枚真正阶梯式铜币的横截面照片。铜的较大面积提供了与冷壁接触的较大表面积,从而改善了热传递。

最终,金属背衬电路提供了一个理想的解决方案,需要消耗大量的热能,如图4所示。金属背衬可以是铜、铝或黄铜,因为这种类型的电路通常用于固态功率放大器(SSPA),并且可以是预粘合或后粘合结构。

在预粘合电路的情况下,这是将基板预粘合到厚金属衬垫的情况。这确实将跟踪限制在单层,并在加工过程中出现问题,因为加工操作总是必须在形成电路迹线后进行。需要非常小心,以避免损坏关键电路功能。其优点是,这提供了极好的地平面参考。

后粘合替代品更容易制造,因为电路在连接到预加工和电镀金属衬垫之前已生产和验证,如图5所示。后粘结电路可以有不止一层导体。通常,使用导电粘合剂层将电路粘合到金属衬垫上。对于预粘合和后粘合电路,需要热量转移的部件通过电路内的开口直接安装在金属衬垫上。

更复杂的解决方案是金属芯电路。在空间有限且除热管理外还需要射频和控制之间的高隔离度的情况下,可以有效地使用这些设备。从元件到磁芯的热量可以通过热通孔传递,也可以通过元件安装在电路中的腔体直接接触传递。

必须考虑去除堆芯的热量。通常,电路基板从两个边缘进行机加工,以露出铁芯,因此可以将其夹在机箱内以传递热量。对于直径小于0.2 mm且深度小于0.3 mm的热通孔,可使用盲孔电镀工艺用铜填充孔。图6显示了示例。

Teledyne Labtech为小型电路(小于25厘米)热管理开发的另一项技术2.)–在总厚度有限但有几个设备需要热管理的情况下–使用带支架(支柱)的机加工铜平面。这提供了一个良好的热通道,热量可以通过热平面有效地分布,以便传输到冷壁。图7显示了一个示例。

总结

对于高功率应用,金属背衬电路目前为法兰安装的高功率固态RF设备提供了最佳解决方案;它们不能很好地适应需要热管理的SMT组件。在使用具有高耗散要求的SMT组件时,硬币为热管理提供了有效的解决方案。

如果所需功耗较低,厚壁填充过孔可提供较低成本的硬币替代品。金属芯和机加工铜平面通常仅在空间有限且成本不是主要因素的情况下使用。有导热基板可用于射频应用,但即使这些基板通常也具有相当适度的导热系数,通常为1,0至1,5 W/m·K

欲了解更多信息,请联系Continal Technologies, +27 66 231 1900,丹尼尔。haywood@conical.co.za,www.consolive.co.za


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