A seleção de materiais condutores térmicos para placas de circuito impresso de alta-frequência não deve apenas buscar a mais alta condutividade térmica, mas também atender às três dimensões principais dos requisitos de desempenho elétrico de alta-frequência (constante dielétrica estável Dk, baixa perda dielétrica Df), correspondência de desempenho térmico (correspondência de condutividade térmica, resistência à temperatura e coeficiente de expansão térmica) e restrições de processo e custo. Não existe um “melhor” material universal absoluto, e a solução ideal deve ser combinada de acordo com o cenário de aplicação.
1, Pré-requisito de seleção principal: primeiro atenda aos requisitos elétricos de alta-frequência
Em cenários-de alta frequência, o desempenho elétrico dos materiais tem prioridade sobre a condutividade térmica. Se os materiais de condutividade térmica causarem perda excessiva de sinal e incompatibilidade de impedância, mesmo que o coeficiente de condutividade térmica seja alto, eles não poderão ser usados:
Adaptação da banda de frequência:
Cenários de média a alta frequência de 3 ~ 10 GHz (como comunicação Wi Fi 6 e Sub-6G): Alta condutividade térmica aprimorada FR-4 pode ser selecionada, exigindo um Dk estável de 3,0 ~ 4,0 Df menor ou igual a 0,008;
Cenários de ondas milimétricas de 10 ~ 30 GHz e superiores (como ondas milimétricas 5G e radar): Baixo Dk (menor ou igual a 2,5) e baixo Df (menor ou igual a 0,002) compósitos cerâmicos de carbono-hidrogênio e materiais de matriz cerâmica devem ser selecionados para evitar a atenuação do sinal.
Equilíbrio dos parâmetros termoelétricos: O aumento da condutividade térmica dos materiais geralmente é acompanhado pela adição de cargas. É necessário verificar se os preenchimentos causarão desvio excessivo de frequência/temperatura Dk e aumento de Df para evitar a introdução de problemas de integridade do sinal.
2, Cenários de condutividade térmica e adaptação de materiais de substrato de PCB de alta-frequência convencionais
A condutividade térmica, o desempenho elétrico e os cenários aplicáveis de diferentes materiais de substrato variam significativamente e podem ser selecionados de acordo com os requisitos de densidade de potência e banda de frequência:
| Tipo de material | Condutividade térmica típica W/(m · K) | Desempenho elétrico de alta frequência | Faixa de densidade de potência aplicável | Cenários principais aplicáveis |
|---|---|---|---|---|
| Substrato FR-4 convencional | 0.25~0.5 | Df deteriora-se para 0,022-0,035 acima de 10GHz, com grandes flutuações em Dk | <5W/cm² | Circuitos de baixa potência e{0}}alta frequência abaixo de 3 GHz, cenários sensíveis ao custo |
| Substrato FR-4 modificado de alta condutividade térmica | 0.8~1.5 | Df pode ser controlado entre 0,008 ~ 0,015 a 10 GHz e a estabilidade Dk é melhorada | 5~15W/cm² | Cenários de alta-frequência e potência média de 3 a 10 GHz, como front-end de RF comum-e placa de RF de controle industrial |
| Substrato metálico à base de alumínio (MCPCB) | 1,0~5,0 (tipo comum); 8~50W/(m · K) (tipo de camada de isolamento de alta condutividade térmica) | O Df da camada de isolamento é relativamente alto e adequado apenas para cenários abaixo de 10GHz | 15~50W/cm² | Cenários de RF de alta potência abaixo de 10 GHz, como fontes de alimentação de RF e módulos de alta-frequência montados em veículos |
| Substrato metálico à base de cobre | 200~400 (tipo de separação termoelétrica) | É necessária uma camada de isolamento de baixa perda, com perda de alta-frequência ligeiramente superior à do substrato cerâmico | >50W/cm² | Cenários de ultra-alta potência e alta{0}frequência abaixo de 10 GHz, como amplificadores de RF de alta-potência |
| Substrato cerâmico de óxido de alumínio | 20~30 | Dk≈9,8,Df menor ou igual a 0,0005, excelente desempenho de alta-frequência | 50~100W/cm² | Cenários de RF de alta potência acima de 10 GHz, como módulos de RF IGBT e aviônicos |
| Substrato cerâmico de nitreto de alumínio | 150~200 | Dk≈8,8, Df menor ou igual a 0,0003, desempenho estável na banda de frequência de ondas milimétricas | >100W/cm² | Cenários de ondas milimétricas de alta potência acima de 24 GHz, como radar e-lasers RF de última geração |
3, Seleção de materiais de interface térmica correspondentes (TIM)
Além do substrato em si, o material de interface térmica entre o elemento de aquecimento e o dissipador de calor/substrato precisa atender aos requisitos de cenários de alta-frequência:
Requisitos de parâmetros parasitas baixos: deve-se dar prioridade ao uso de materiais condutores térmicos finos e de baixa constante dielétrica para evitar a introdução de capacitância parasita adicional que afeta a impedância de alta-frequência;
Seleção de condutividade térmica:
Dispositivos de energia comuns: utilizando graxa de silicone condutora térmica com condutividade térmica de 2~5W/(m · K) e juntas termocondutoras, com baixo custo e boa processabilidade;
Chip RF de alto fluxo de calor: gel condutor térmico e material de mudança de fase com condutividade térmica de 8 ~ 15W/(m · K) podem ser usados para preencher micro vazios e reduzir a resistência térmica de contato;
Requisitos de isolamento: Materiais de isolamento térmico com tensão suportável maior ou igual a 3kV/mm devem ser selecionados para cenários de alta-tensão e alta-frequência para evitar quebras de alta-tensão.
4, Etapas de tomada de decisão-de seleção
Banda de frequência fixa: Determine os limites Dk e Df dos materiais com base na frequência operacional e avalie a gama de materiais que atendem aos requisitos de desempenho elétrico;
Calcular potência: Calcule a densidade de potência do elemento de aquecimento central e combine-a com o substrato correspondente ao nível de condutividade térmica
Densidade de potência<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Densidade de potência de 15~50W/cm²: escolha MCPCB com camada de isolamento de alta condutividade térmica à base de alumínio;
Power density>50W/cm², abaixo de 10GHz: escolha MCPCB à base de cobre;
Power density>50W/cm², acima de 10GHz: substrato cerâmico é selecionado, com prioridade para cerâmica de nitreto de alumínio em cenários de ultra{2}}alta potência de ondas milimétricas;
Correspondência térmica de calibração: Verifique a compatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) do material com o chip e a folha de cobre. Por exemplo, o CTE do eixo Z-do FR-4 é 40-60ppm/grau, e o CTE do substrato cerâmico é mais próximo daquele do chip de silício, o que pode reduzir o risco de falha na junta de solda do ciclo térmico;
Controle de custos: com a premissa de atender aos requisitos de desempenho, evite o uso excessivo de materiais de alto custo - como cerâmicas de nitreto de alumínio, que têm a maior condutividade térmica, mas são 5-10 vezes mais caras que as cerâmicas de alumina e só têm custo-efetivo em cenários de ondas milimétricas de potência ultra-alta.
5, Assistência complementar de design térmico
A seleção de materiais é apenas a base do gerenciamento térmico e precisa ser coordenada com o projeto estrutural para maximizar a eficiência da dissipação de calor:
Organize uma matriz de furos passantes térmicos com um diâmetro de 0,2-0,3 mm abaixo do elemento de aquecimento, usando um arranjo hexagonal fechado para reduzir a resistência térmica vertical;
A camada de energia e a camada geológica utilizam cobre com espessura de 2 onças (70 μm) ou superior, mantendo uma taxa de cobertura de cobre superior a 80%, como camada de difusão térmica planar;
Disponha os componentes de maneira razoável, reserve os dutos de convecção e mantenha os componentes que geram alto calor longe dos componentes sensíveis ao calor.