选择电子材料对微波射频设计中的热管理有什么影响

　　微波/射频设计中正确的热管理需从仔细选择电子材料开始，而印刷电路板（PCB）又是这些材料中最重要的一种。在大功率、高频率的电路（如功放）中，热量可能在放大器中的有源器件周围积聚起来。为了防止器件结点、附近的电路元器件或甚至PCB材料的损坏，系统必须将热量从有源器件中正确地传导出去，并通过器件封装、电路接地、散热片、设备机壳和环境空气安全地散发。PCB材料的选择对大功率微波/射频设计的总体热管理有很大的影响。电路材料的功率处理能力与其控制温升的能力有关，而温升又是外加功率和耗散功率的函数。对于大多数电子元器件而言，工作温度升高将会缩短其工作寿命，并且经常还会降低其电气性能。不管是环境温度较高，还是因大功率工作而引起的电路及其元器件温度升高，其结果都会导致高温下的损坏和性能下降。根据电路必须耗散的功率大小，使该电路保持在较低的温度下，通常能够保证较高的可靠性。 PCB在高温下会发生什么现象呢？就像大多数材料一样，PCB会随温度变化而热胀冷缩——当温度上升时，PCB会在三个轴向上（长度、宽度和厚度）膨胀。这种随温度变化导致的膨胀程度，可以用PCB材料的热膨胀系数（CTE）来表征。因为 PCB通常由覆铜（用于形成传输线和地平面）电介质形成，所以该材料在x和y方向上的线性CTE，通常设计得与铜的 CTE（约17ppm/℃）相匹配。通过这种方法，这些材料就会随温度的变化而一起膨胀和收缩，从而最大程度地减小了两种材料连接处的应力。电介质材料z轴（厚度）的CTE，通常设计为较低的值，以便最大程度地减小随温度而发生的尺寸变化，并保持电镀通孔（PTH）的完整性。PTH为接地和多层电路板互连，提供所需的从电路板顶层到底层的路径。除了机械变化以外，温度还会影响PCB的电气性能。例如，PCB层压板的相对介电常数是温度的函数，由介电常数的热系数这一参数所定义。该参数描述了介电常数的变化（单位通常是ppm/℃）。由于高频传输线的阻抗不仅取决于基板材料的厚度，而且取决于其介电常数，因此z轴的CTE和作为温度函数的介电常数的变化，会显著影响在这种材料上制作的微带和带状传输线的阻抗。当然，微波电路依赖于元器件和电路结点之间紧密匹配的阻抗，来最大限度地减小可能导致信号损失和相位失真的反射。在功放电路中，阻抗匹配电路用于实现从功率晶体管的典型低阻抗到微波/射频电路或系统的典型50Ω特性阻抗的转化。由大功率信号的温度效应引起的传输线阻抗的变化，可能改变高频放大器的频率响应，因此，应通过仔细选择PCB层压板来尽可能减小这些效应。在选择在大功率电平和高频下有助于最大限度减小热量产生的PCB材料时，还有许多其他的参数也很有用。在某个温度点，某些材料会改变其状态，这个温度就是其中的一个参数——被称为液态玻璃化转变温度或玻璃化转变温度（简写为Tg）。例如，它能够指示在一种材料的CTE特性中，将发生巨大改变的温度（图1）。由于材料的CTE会经历相当大的变化，当工作温度超过Tg时，材料的机械和电气性能会变得不稳定，因此，除了短暂的处理过程（如在回流焊过程中，材料要求处于较高温度下）外，工作温度应始终保持在该温度以下。