Выбор подложки для улучшения теплового поведения платы

Джон Раньери (John Ranieri)

В радиочастотных/микроволновых и силовых печатных платах (ПП) часто появляются проблемы с возникновением излишнего тепла, которое может повлиять на рабочие характеристики и надежность ПП. Тепло, генерируемое на плате, возникает вследствие многих факторов, например, подачи входной мощности, эффективности устройства в активном режиме и величины потерь от пассивных элементов и линий передачи.

Рассеивать тепло с ПП конвекцией воздуха с помощью вентилятора не очень эффективно. Поэтому для чувствительных устройств и компонентов отвод тепла производится с помощью специальных путей к металлическому корпусу или теплоотводу с хорошей теплопроводностью. Однако для миниатюрных или многослойных электронных конструкций нельзя установить теплоотвод, поэтому рассеяние избыточного тепла должно выполняться через диэлектрический материал печатной платы, работающий как распределитель тепла. Для этого необходимо тщательно подбирать материал для подложки ПП. Использование материалов, способных рассеивать тепло, может не только увеличить надежность ПП, но и улучшить способность ПП работать на заданной мощности, сохранив при этом малый форм-фактор схемы.

Термическая стабильность

Активные устройства не эффективны на 100%, и некоторые из них преобразуют подаваемую на них энергию в тепло. Рост температуры может контролироваться выбором материалов, способных обеспечить отвод тепла от компонента. Металлическая плоскость заземления печатной платы или металлический теплоотвод, присоединенный к ПП, обеспечивает отвод тепла, безопасный для установленных на плату компонентов. Термическая стабильность снижает влияние температуры на импеданс — значительный нагрев вызывает изменения в фазочастотных характеристиках цепи. Материалы для изготовления ПП характеризуются рядом стандартных параметров: теплопроводностью (TC), диэлектрической постоянной (Dk), тангенсом угла магнитных потерь (Df) и коэффициентом теплового расширения (CTE).

Материалы для высокочастотных и высокоскоростных ПП обычно представляют собой композиты, например, стекловолокно или фторполимер PTFE. Коэффициент TC для заданного типа материала или композита на основе его термического поведения можно вычислить с помощью простого линейного уравнения. Существуют также программы для моделирования и прогнозирования потока тепла через определенный тип материала. Источником тепла часто становится само активное устройство, например, мощные транзисторы в усилителях. Для того чтоб обеспечить долгий срок службы усилителя (и активного устройства), необходимо уберечь от самонагревания.

В высокочастотных однослойных конструкциях схемы с монтируемыми компонентами, содержащие микрополосковые линии передачи или заземленные копланарые волноводы (GCPW) (рис. 1), при работе на высоких мощностях могут сильно нагреваться. Излишнее тепло должно отводиться к области с более низкой температурой (теплоотводу), обычно это делается с помощью диэлектрических материалов. Поперечное сечение такой конструкции показано на рис. 2. Здесь проиллюстрировано, как тепло отводится от области с высокой температурой к области с более низкой температурой в соответствии с простым соотношением:

H = kA(ΔT/L),

где H — поток тепла, k — теплопроводность, L — расстояние между двумя областями, а ΔT — разница между температурами областей.

Выбор подложки для улучшения теплового поведения платы

Рис. 1. Две популярные технологии размещения высокочастотных линий передачи, с использованием микрополосковых линий передачи и заземленных копланарных волноводов (GCPW), на верхней части подложки ПП с заземляющей плоскостью в нижней части

Надписи на рисунке:

(сверху) схема с микрополосковыми линиями передачи данных

(снизу) схема с заземленными копланарными волноводами

Выбор подложки для улучшения теплового поведения платы

Рис. 2. Количество отводимого тепла через подложку ПП может быть рассчитано для потока тепла от линии передачи, расположенной на верхней части подложки, например микрополосковой линии, к области охлаждения на нижней части платы

Надписи на рисунке:

Substrate — подложка;

Hot fixed temperature — высокая заданная температура;

Signal plane — сигнальный слой;

Heat flow — поток тепла;

Ground plane — плоскость заземления;

Thermal adhesive — адгезивный теплоизолирующий слой;

Heat sink or Cold fixed temperature — теплоотвод или заданная низкая температура

Высокочастотные платы

В высокочастотных и высокоскоростных (цифровых) схемах и даже в силовых схемах рост температуры зависит от подаваемой мощности из-за появления потерь по всей цепи. Это могут быть и диэлектрические потери материала ПП, вносимые потери на линиях передачи данных и тепловые потери материала цепи. В активных схемах, где источник мощности/тепла, например, дискретный транзистор или интегральная схема, может быть установлен прямо на линии передачи, на границе между активным компонентом и материалом ПП возникает большая тепловая нагрузка.

Снизить рост температуры активного компонента можно использованием материалов с высокой теплопроводностью, а также специальных переходных отверстий для отвода тепла. Эти переходные отверстия присоединяются через подложку к материалам с высоким коэффициентом теплопроводности TC, например, металлическому теплоотводу или заземляющей плоскости (рис. 3).

Экстремального роста температур следует избегать, так как они влияют на величину потерь монтируемых на поверхность компонентов и высокочастотных линий передачи, что в свою очередь вызывает отклонения фазового угла от номинального значения. Использование материалов ПП с высокими значениями коэффициента TC позволяет избежать этих проблем.

Выбор подложки для улучшения теплового поведения платы

Рис. 3. Переходные отверстия обеспечивают путь для отвода тепла от диэлектрического материала с высоким TC через диэлектрический материал с низким TC — от области с высокой температуры к области с низкой температурой на ПП

Надписи на рисунке:

(см. надписи к рис. 2)

Width — ширина;

Space — зазор

Там, где невозможно использовать теплоотвод, например, из-за размеров или веса ПП, избыточное тепло можно рассеивать через один слой диэлектрика или, в случае многослойной платы, через дополнительные слои платы и/или окружающие структуры. Мы знаем, как влияют свойства различных материалов на температуру и как температура влияет на свойства материалов, но интересен вопрос, могут ли материалы с высоким TC регулировать теплоотведение на относительно высоких уровнях мощности, даже без применения теплоотвода. Благодаря высокой теплопроводности и подходящим характеристикам, такие материалы позволяют проектировать и изготавливать ПП, которые могут работать на высоких уровнях мощности и сохранять малые размеры.

Тогда как теплопроводность большинства высокочастотных материалов ниже, чем у меди (400 Вт/м·K), материалы с теплопроводностью 0,5 Вт/м·K считаются приемлемыми для использования во многих низкомощных применениях. Материалы на основе PTFE, например ламинаты серии RT/duroid® 6035HTC от Rogers Corp., обладают теплопроводностью 1,44 Вт/м·K, что больше, чем у стандартных материалов PTFE, и могут использоваться для высокомощных ПП с увеличенным тепловым потоком без ущерба для электрических характеристик PTFE. Когда отведения тепла через диэлектрический слой подложки недостаточно, можно добавить дополнительные пути к теплоотводу. Сравнивая значения теплопроводности различных материалов, необходимо помнить, что эти значения различаются при разных температурах.

Максимальная рабочая температура (MOT)

Один из параметров, используемых для изготовления ПП, — максимальная рабочая температура (MOT). Вогда MOT какого-то материала известен, действует общее правило: использовать этот материал для температур MOT +85 °C.

Дополнительные параметры материала, относящиеся к теплопроводности и тепловому поведению, — это тангенс угла потерь (Df), шероховатость поверхности проводника, коэффициент термического расширения (CTE) и в меньшей степени диэлектрическая постоянная (Dk). Df относится к потерям энергии цепи в диэлектрическом материале. Потери проводника представляют собой потери энергии в проводниках и проводящем материале. Df — это способ измерения способности материала поглощать энергию электромагнитного поля (EM). Низкие значения Df соответствуют низким диэлектрическим потерям, низкому поглощению EM и меньшему количеству тепла, появляющегося в результате поглощения энергии. Характеристики, которые в совокупности обеспечивают хорошее управление температурой (низкое тепловыделение при более высоких уровнях мощности): низкий Df и высокий TC; поиск их идеального сочетания является хорошей отправной точной при выборе ламинатов для высокочастотных/микроволновых схем с высокими уровнями мощности.

На высоких уровнях мощности потери могут продуцировать нагрев ПП, поэтому при выборе материалов для эффективного теплового управления вместе с потерями проводника необходимо рассматривать диэлектрические потери. Потери в проводнике зависят от типа материала проводника, при этом их величина для чистой меди отличается от величины потерь для меди, покрытой более проводящим металлом, например, серебром. Шероховатость поверхности меди, используемой для проводников, также влияет на величину потерь — поверхность должна обладать минимальной шероховатостью, необходимой для минимизации выделения тепла из-за потерь в проводнике.

Параметр CTE

CTE — это важный параметр для описания механических изменений материалов вследствие роста температуры, особенно на поверхности контакта разных материалов, например, в многослойных платах. Он указывает, как будет расширяться материал в зависимости от роста температуры (эта величина измеряется в ppm/ºC). Для того чтобы избежать появления напряжений на стыках материалов, разница в значениях CTE этих материалов должна быть как можно меньше. Поверхности контакта — это не только контакт материалов, но и соприкосновение разных типов устройств, микросхем и корпусов, установленных на подложку ПП, в частности, на керамические подложки или ламинаты PTFE с керамическим или стеклянным наполнением.

Значения CTE меняются по-разному в разных направлениях x, y и z и обычно не одинаковы в двух разных плоскостях. Несоответствие величины CTE по осям x–y может привести к возникновению сильного напряжения на установленных микросхемах или корпусированных устройствах. Разница величин CTE по оси z (то есть по всей толщине подложки) может привести к появлению напряжения на металлизированных отверстиях (проводящих или отводящих тепло) при увеличении температур. Для того чтобы снизить напряжение и увеличить надежность работы ПП, разница между значениями CTE используемых материалов и монтируемых компонентов должна быть как можно меньше.

Очень важно отметить, что CTE никогда не меняется линейно и может измениться с изменением температуры. Точные значения CTE обычно указываются для определенной рабочей температуры/температур. Температура стеклования (Tg) — это температура аморфной фазы вещества, при которой оно меняет форму от твердой до мягкой (эластичное состояние). Значение CTE при температуре выше температуры стеклования обычно намного больше, чем при температурах ниже Tg. Поэтому Tg — это важное свойство материала, чем больше значение Tg, тем надежнее металлизированные отверстия.

Диэлектрическая постоянная (Dk) — первый параметр, который проверяют инженеры при выборе материала под конкретную конструкцию ПП. Для многих высокочастотных и высокоскоростных применений материалы с низким значением Dk (3–4,5) обеспечивают управляемые размеры схемы с обычным уровнем импеданса 50 Ом на радиочастотных/микроволновых частотах.

На рынке доступны материалы на основе мягких полимеров — например, на основе PTFE с различными наполнителями, с хорошими значениям TC и низким Dk. Выбор материалов для ПП с высоким TC — первый шаг к успешному регулированию тепла на ПП. Так, материал на основе эпоксидной смолы 92ML™ от Rogers Corp. имеет теплопроводность по осям x и y, равную 3,5 Вт/м·K (рис. 4). С Tg = +160 °C и низким значением CTE по оси z данные материалы поддерживают постоянный тепловой поток и могут использоваться в высокомощных применениях. Многие материалы, эффективно регулирующие отвод тепла, можно найти в серии RT/duroid 6035HTC от Rogers Corp. Это материалы на основе PTFE с керамическим наполнением, имеющие более высокий TC по сравнению со стандартным PTFE. Материал имеет Dk = 3,5 по оси z при 10 ГГц. При температуре +80 °C коэффициент теплопроводности составляет 1,44 Вт/м·K, а коэффициент рассеяния Df по оси z-axis равен 0,0013.

Выбор подложки для улучшения теплового поведения платы

Рис. 4. Использование заземляющего слоя большой толщины позволяет материалу 92ML™ обеспечить ПП теплоотводом для медленного отвода тепла от его источника

Надписи на рисунке:

Copper foil — медная фольга;

Fully cured, glass reinforced, thermally conductive dielectric — полностью отвержденный, армированный стекловолокном, теплопроводящий диэлектрик;

Thick aluminum or copper plate — алюминиевая или медная плоскость большой толщины

Измерение и моделирование

Моделирование позволяет найти наилучшее решение по использованию материала, предусмотренного в конструкции ПП, и управлению его тепловым поведением. Вычисления коэффициента теплопроводности TC описаны в стандарте ASTM D5470, где проводятся измерения теплового полного сопротивления разных типов материалов, включая жидкости. TC материала измеряется по оси z. Существую тесты, например с лазерной вспышкой (стандарт ASTM E1462), где приводятся измерения коэффициента термической диффузии, который далее используется для вычисления коэффициента TC по осям z и x/y.

Программы по моделированию воздействия электромагнитного поля, в том числе Ansys HFSS и Sonnet Software, часто используются для плоскостного и объемного (3D) анализа теплового потока через ПП и вдали от нее. Кроме того, библиотека Ansys IcePak включает большое количество моделей, в том числе ПП, теплоотводы, корпуса и тепловые трубки, что позволяет создавать свои собственные модели для анализа теплового поведения. Программа моделирования FloTHERM® от компании Mentor предоставляет пользователям возможность экспериментировать с различными материалами и поверхностями контакта между ними для изучения теплового поведения на уровне ПП, устройств и корпусов. Кроме того, Energy2D от компании Thermtest является бесплатным открытым ПО и помогает провести тепловой анализ для большого количества стандартных материалов.