A nagy{0}}frekvenciás nyomtatott áramköri lapok hővezető anyagainak kiválasztásának nemcsak a legmagasabb hővezető képességre kell törekednie, hanem meg kell felelnie a három fő dimenziónak is: a nagy-frekvenciás elektromos teljesítmény követelményeinek (stabil dielektromos állandó Dk, alacsony dielektromos veszteség Df), a hőteljesítmény illesztése (a hővezetési képesség, a hőmérsékleti ellenállás és a folyamatköltség-együttható, valamint a hőtágulási együttható) három fő dimenziójának is meg kell felelnie. Nincs abszolút "legjobb" univerzális anyag, és az optimális megoldást az alkalmazási forgatókönyv szerint kell összeállítani.
1. A mag kiválasztásának előfeltétele: először teljesítse a magas{1}}frekvenciás elektromos követelményeket
Nagy{0}}frekvenciás forgatókönyvekben az anyagok elektromos teljesítménye elsőbbséget élvez a hővezető képességgel szemben. Ha a hővezető anyagok túlzott jelveszteséget és impedancia eltérést okoznak, még akkor sem, ha a hővezetési együttható magas, nem használhatók:
Frekvenciasáv adaptáció:
3–10 GHz-es közepes és magas frekvenciájú forgatókönyvek (például Wi Fi 6 és Sub-6G kommunikáció): A megnövelt, nagy hővezető képességű FR-4 választható, amelyhez stabil Dk 3,0–4,0 Df 0,008-nál kisebb vagy azzal egyenlő;
10–30 GHz-es és nagyobb milliméteres hullámok (például 5G milliméteres hullám és radar): Alacsony Dk (Kisebb vagy egyenlő 2,5) és Alacsony Df (Kisebb vagy egyenlő, mint 0,002) A jelgyengülés elkerülése érdekében szénhidrogén kerámia kompozitokat és kerámia mátrix anyagokat kell választani.
Hővillamos paraméteregyensúly: Az anyagok hővezető képességének növekedése általában töltőanyagok hozzáadásával jár együtt. A jelintegritási problémák elkerülése érdekében ellenőrizni kell, hogy a töltőanyagok okoznak-e túlzott Dk frekvencia/hőmérséklet eltolódást és Df növekedést.
2. A főáramú, nagy{1}}frekvenciás NYÁK-hordozó anyagok hővezető képessége és alkalmazkodási forgatókönyvei
A különböző hordozóanyagok hővezető képessége, elektromos teljesítménye és alkalmazható forgatókönyvei jelentősen eltérnek egymástól, és a teljesítménysűrűség és a frekvenciasáv követelményei szerint választhatók:
| Anyag típusa | Tipikus hővezető képesség W/(m · K) | Nagyfrekvenciás elektromos teljesítmény | Alkalmazható teljesítménysűrűség tartomány | Alapvető alkalmazható forgatókönyvek |
|---|---|---|---|---|
| Hagyományos FR-4 hordozó | 0.25~0.5 | A Df 0,022-0,035-re romlik 10 GHz felett, a Dk nagy ingadozásaival | ＜5W/cm² | Kis teljesítményű, nagy{0}}frekvenciás áramkörök 3 GHz alatt, költségérzékeny forgatókönyvek |
| Nagy hővezető képességű módosított FR-4 hordozó | 0.8~1.5 | A Df 0,008-0,015 között szabályozható 10 GHz-en, és javul a Dk stabilitás | 5-15 W/cm² | 3–10 GHz-es közepes teljesítményű, nagy{2}}frekvenciás forgatókönyvek, mint például a hagyományos RF előlap-és ipari vezérlő RF kártya |
| Alumínium alapú fém hordozó (MCPCB) | 1,0 ~ 5,0 (közönséges típus); 8~50W/(m · K) (nagy hővezető képességű szigetelőréteg típus) | A szigetelőréteg Df-értéke viszonylag magas, és csak 10 GHz alatti forgatókönyvekre alkalmas | 15-50 W/cm² | Nagy teljesítményű, 10 GHz alatti rádiófrekvenciás forgatókönyvek, például rádiófrekvenciás tápegységek és járműbe szerelt nagyfrekvenciás{1}}modulok |
| Réz alapú fém hordozó | 200-400 (termoelektromos elválasztási típus) | Alacsony veszteségű szigetelőrétegre van szükség, a nagy{0}}frekvenciás veszteséggel valamivel nagyobb, mint a kerámia hordozóé | ＞50W/cm² | Rendkívül nagy teljesítményű és nagy{0}}frekvenciás forgatókönyvek 10 GHz alatt, például nagy teljesítményű RF erősítők |
| Alumínium-oxid kerámia hordozó | 20~30 | Dk≈9,8,Df kisebb vagy egyenlő, mint 0,0005, Kiváló magas{2}frekvenciás teljesítmény | 50-100 W/cm² | 10 GHz feletti nagy teljesítményű RF forgatókönyvek, például IGBT RF modulok és repüléselektronika |
| Alumínium-nitrid kerámia hordozó | 150~200 | Dk≈8,8, Df kisebb vagy egyenlő, mint 0,0003, Stabil teljesítmény milliméteres hullám frekvenciasávban | ＞100W/cm² | 24 GHz feletti nagy teljesítményű milliméteres hullámok, például radar és csúcskategóriás RF lézerek{1}} |
3. A megfelelő termikus interfész anyagok kiválasztása (TIM)
Magán az aljzaton kívül a fűtőelem és a hűtőborda/hordozó közötti termikus interfész anyagának meg kell felelnie a nagy-frekvenciás forgatókönyvek követelményeinek:
Alacsony parazitaparaméterekre vonatkozó követelmények: Elsőbbséget kell adni a vékony, alacsony dielektromos állandójú hővezető anyagok használatának, hogy elkerüljük a nagy{0}}frekvenciás impedanciát befolyásoló további parazita kapacitás bejutását;
Hővezető képesség kiválasztása:
Szokásos teljesítményű eszközök: 2~5W/(m · K) hővezető képességű hővezető szilikonzsír és hővezető tömítések alkalmazása alacsony költséggel és jó feldolgozhatósággal;
Nagy hőáramú RF chip: 8 ~ 15 W/(m · K) hővezető képességű hővezető gél és fázisváltó anyag használható mikroüregek kitöltésére és az érintkezési hőellenállás csökkentésére;
Szigetelési követelmények: A 3 kV/mm vagy annál nagyobb ellenállási feszültségű hőszigetelő anyagokat kell választani a nagy-feszültségű és nagy{2}}frekvenciás forgatókönyvekhez, hogy elkerüljük a nagy-feszültségű leállást.
4, Kiválasztási döntés-lépései
Rögzített frekvenciasáv: Határozza meg az anyagok Dk és Df küszöbértékeit a működési frekvencia alapján, és szűrje le az elektromos teljesítmény követelményeinek megfelelő anyagok körét;
Teljesítmény kiszámítása: Számítsa ki a magfűtőelem teljesítménysűrűségét, és illessze azt a hővezető képességnek megfelelő hordozóhoz
Teljesítménysűrűség<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Teljesítménysűrűség 15-50W/cm²: válasszon nagy hővezető képességű szigetelőréteget, alumínium alapú MCPCB-t;
Power density>50 W/cm ², 10 GHz alatt: válasszon rézalapú MCPCB-t;
Power density>50 W/cm ², 10 GHz felett: kerámia hordozó van kiválasztva, elsőbbséget élvezve az alumínium-nitrid kerámiáknak milliméteres hullámú ultra-nagy teljesítményű forgatókönyveknél;
Kalibrációs hőillesztés: Ellenőrizze, hogy az anyag hőtágulási együtthatója (CTE) kompatibilis-e a forgács- és rézfóliával. Például az FR-4 Z-tengelyű CTE-je 40-60 ppm/fok, és a kerámia hordozó CTE-je közelebb van a szilíciumchipéhez, ami csökkentheti a hőciklusos forrasztási kötés meghibásodásának kockázatát;
Költségszabályozás: A teljesítménykövetelmények teljesítése érdekében kerülje a magas költségű anyagok -, például alumínium-nitrid kerámiák túlzott használatát, amelyek a legmagasabb hővezető képességgel rendelkeznek, de 5-tízszer drágábbak, mint az alumínium-oxid kerámiák, és csak milliméterhullámú, ultranagy teljesítményű forgatókönyvek esetén költséghatékonyak-.
5, Kiegészítő hőtechnikai tervezési segítség
Az anyagválasztás csak a hőkezelés alapja, és össze kell hangolni a szerkezeti tervezéssel a hőelvezetési hatékonyság maximalizálása érdekében:
Helyezzen el egy 0,2-0,3 mm átmérőjű termikus átmenő-lyuktömböt a fűtőelem alatt, hatszögletű zárt elrendezéssel a függőleges hőellenállás csökkentése érdekében;
A teljesítményréteg és a geológiai réteg 2oz (70 μm) vagy annál nagyobb vastagságú rezet használ, 80% feletti rézlefedettséget tartva fenn sík hődiffúziós rétegként;
Helyezze el ésszerűen az alkatrészeket, tartalékolja a konvekciós csatornákat, és tartsa távol a nagy hőt termelő alkatrészeket a hőérzékeny alkatrészektől.