Fossa per evitare guasti termici della scheda RF ad alta frequenza: come abbinare accuratamente il substrato con un coefficiente di conducibilità termica adeguato
Parametri fondamentali della conduttività termica per diversi tipi di materiali
| Tipo materiale | Conduttività termica tipica | Caratteristiche principali |
|---|---|---|
| Substrato ceramico in nitruro di alluminio (AlN). | 150~180 W/mK | Conduttività termica estremamente elevata, CTE vicino ai chip di silicio, riducendo significativamente lo stress termico |
| Substrato ceramico in ossido di alluminio | ~20~30 W/mK | Resistenza alla temperatura estremamente elevata, adatta per scenari ad alta-frequenza, gravosi e ad alta-potenza superiori a 50 GHz |
| Substrato a base di alluminio ad alta potenza | Maggiore o uguale a 0,8 W/mK | Costo moderato, adatto a scenari RF convenzionali di potenza medio-alta |
| PTFE caricato con ceramica (come Taconic RF-60) | 0,4 W/mK | Bilanciamento di una bassa perdita dielettrica e di una conduttività termica di base, adatto per scenari ad alta-frequenza nelle comunicazioni e nel controllo industriale |
| Rogers RO5870 | 0,22 W/mK | Bassa perdita dielettrica, adatto per radar di potenza convenzionali da 8-40 GHz e scenari di onde millimetriche 5G |
| Rogers RO5880 | 0,2 W/mK | Df ultra basso, ottimizzato per scenari a bassa perdita di onde millimetriche |
| FR4 modificato | 0,3~0,5 W/mK | Costo estremamente basso, adatto solo per scenari a bassa-potenza e a bassa{{1}frequenza inferiore a 2,5 GHz |
Principi fondamentali di giudizio per la scelta del coefficiente di conduttività termica
Livello di potenza corrispondente alla priorità: per scenari con flusso di calore elevato come amplificatori ad alta-potenza e radar aerei, sono preferiti i substrati ceramici AlN per evitare il surriscaldamento locale che potrebbe causare guasti al dispositivo; Negli scenari di comunicazione convenzionale a potenza medio-bassa, i materiali ad alta-frequenza a base di PTFE con una potenza di 0,2~0,5 W/mK possono soddisfare i requisiti.
Tenendo conto delle prestazioni elettriche ad alta-frequenza: l'indice Df non può essere sacrificato per il perseguimento di un'elevata conduttività termica. La banda di frequenza delle onde millimetriche deve garantire Df inferiore o uguale a 0,002. Con questa premessa, la conduttività termica dovrebbe essere massimizzata per evitare che la perdita di segnale venga convertita in calore aggiuntivo.
Corrispondenza sincrona CTE: il coefficiente di espansione termica del materiale selezionato dovrebbe essere vicino a quello dei chip core come GaAs e silicio per prevenire la rottura della saldatura durante i cicli di temperatura. I substrati ceramici presentano vantaggi significativi in questo senso.
Priorità di verifica della simulazione: i dati della simulazione mostrano che, alle stesse condizioni Df, l'aumento della conduttività termica da 0,2 W/mK a 1,5 W/mK può ridurre l'aumento di temperatura per unità di potenza in ingresso di 0,82 gradi/W. Con una potenza in ingresso di 50 W, il raffreddamento complessivo può raggiungere i 40 gradi, il che è molto meglio che ridurre semplicemente l'effetto di dissipazione del calore di Df.
Schema di selezione ottimale per scenari tipici
Scenari ad alta potenza per comunicazioni radar/satellitari militari: scegli il substrato ceramico AlN con una conduttività termica di 150-180 W/mK e combinalo con uno strato dielettrico in PTFE riempito di ceramica per ottenere una perdita di segnale estremamente bassa e la massima capacità di dissipazione del calore.
Scenario radar montato su veicolo con onde millimetriche 5G/77GHz: è preferibile Rogers RO5870, con una conduttività termica di 0,22 W/mK in grado di soddisfare i requisiti di raffreddamento di potenza convenzionali garantendo al tempo stesso Df inferiore o uguale a 0,0012, bilanciando prestazioni e costi.
Scenari di controllo industriale/comunicazioni di piccola e media potenza: seleziona materiali PTFE riempiti con ceramica come Taconic RF-60, con una conduttività termica di 0,4 W/mK adatta alla maggior parte degli scenari, pur avendo un'eccellente stabilità costante dielettrica e un'elevata compatibilità di lavorazione.
Scenario a basso costo, bassa-frequenza, bassa-potenza: viene selezionato FR4 modificato ad alta conduttività termica, con un coefficiente di conducibilità termica maggiore o uguale a 0,8 W/mK, adatto per scenari RF non difficili inferiori a 2,5 GHz, con un notevole controllo dei costi dei materiali.