Яма для предотвращения теплового отказа высокочастотной ВЧ-платы: как точно подобрать подложку с подходящим коэффициентом теплопроводности
Основные параметры теплопроводности для разных типов материалов
| Тип материала | Типичная теплопроводность | Основные функции |
|---|---|---|
| Керамическая подложка из нитрида алюминия (AlN) | 150~180 Вт/мК | Чрезвычайно высокая теплопроводность, КТР близок к кремниевым чипам, что значительно снижает термическое напряжение. |
| Керамическая подложка из оксида алюминия | ~20~30 Вт/мК | Чрезвычайно высокая термостойкость, подходит для высокочастотных, суровых,-сценариев с высокой мощностью выше 50 ГГц. |
| Подложка на основе алюминия высокой мощности | Больше или равно 0,8 Вт/мК | Умеренная стоимость, подходит для обычных радиочастотных сценариев средней и высокой мощности. |
| ПТФЭ с керамическим наполнением (например, Taconic RF-60) | 0,4 Вт/мК | Баланс низких диэлектрических потерь и базовой теплопроводности, подходящий для высокочастотных сценариев в сфере связи и промышленного управления. |
| Роджерс RO5870 | 0,22 Вт/мК | Низкие диэлектрические потери, подходят для радаров обычной мощности 8–40 ГГц и сценариев миллиметровых волн 5G. |
| Роджерс RO5880 | 0,2 Вт/мК | Сверхнизкий Df, оптимизированный для сценариев с низкими потерями в диапазоне миллиметровых волн |
| Модифицированный FR4 | 0,3~0,5 Вт/мК | Чрезвычайно низкая стоимость, подходит только для сценариев с низким-энергопотреблением и низкими-частотами ниже 2,5 ГГц. |
Основные принципы выбора коэффициента теплопроводности
Приоритетное соответствие уровня мощности. Для сценариев с высоким тепловым потоком, таких как усилители высокой-мощности и бортовые радары, предпочтительны керамические подложки из AlN, чтобы избежать локального перегрева, который может привести к выходу устройства из строя; В сценариях традиционной связи малой и средней мощности этим требованиям могут соответствовать высокочастотные материалы на основе ПТФЭ с мощностью 0,2–0,5 Вт/мК.
Принимая во внимание высокочастотные электрические характеристики: индексом Df нельзя жертвовать ради достижения высокой теплопроводности. Полоса частот миллиметровых волн должна обеспечивать Df не более 0,002. Согласно этой предпосылке, теплопроводность должна быть максимальной, чтобы избежать преобразования потерь сигнала в дополнительное тепло.
Синхронное согласование CTE: коэффициент теплового расширения выбранного материала должен быть близок к коэффициенту теплового расширения основных чипов, таких как GaAs и кремний, чтобы предотвратить растрескивание припоя во время циклических температур. Керамические подложки имеют в этом отношении существенные преимущества.
Приоритет проверки моделирования: данные моделирования показывают, что при тех же условиях Df увеличение теплопроводности с 0,2 Вт/мК до 1,5 Вт/мК может снизить повышение температуры на единицу входной мощности на 0,82 градуса/Вт. При входной мощности 50 Вт общая температура охлаждения может достигать 40 градусов, что намного лучше, чем простое уменьшение эффекта рассеивания тепла Df.
Оптимальная схема выбора для типовых сценариев
Сценарии высокой мощности для военной радиолокационной/спутниковой связи: выберите керамическую подложку AlN с теплопроводностью 150-180 Вт/мК и объедините ее с диэлектрическим слоем из ПТФЭ, наполненным керамикой, чтобы добиться сверхнизких потерь сигнала и максимальной способности рассеивать тепло.
Сценарий автомобильного радара 5G миллиметрового диапазона и 77 ГГц: предпочтителен Rogers RO5870 с теплопроводностью 0,22 Вт/мК, который может удовлетворить традиционные требования к силовому охлаждению, обеспечивая при этом Df меньше или равный 0,0012, что обеспечивает баланс между производительностью и стоимостью.
Сценарии промышленного управления/связи малой и средней мощности: выберите материалы из ПТФЭ с керамическим наполнением, такие как Taconic RF-60, с теплопроводностью 0,4 Вт/мК, которая подходит для большинства сценариев, а также обладает превосходной стабильностью диэлектрической проницаемости и высокой совместимостью с технологическими процессами.
Низкая стоимость, низкая-частота, низкая-мощность: выбран модифицированный FR4 с высокой теплопроводностью, с коэффициентом теплопроводности больше или равным 0,8 Вт/мК, подходящий для нежестких сценариев радиочастот ниже 2,5 ГГц, что значительно контролирует затраты на материалы.