Избор топлотно проводних материјала за високо{0}}штампане плоче не само да треба да тежи највишој топлотној проводљивости, већ и да задовољи три основне димензије високих-захтева за електричне перформансе високе фреквенције (стабилна диелектрична константа Дк, мали диелектрични губици Дф), усклађивање топлотних перформанси (одговарајућа топлотна проводљивост, коефицијент топлотне отпорности и отпорност на температурни процес и коефицијент топлотне експанзије и коефицијент трошкова процеса. Не постоји апсолутно „најбољи“ универзални материјал, а оптимално решење треба ускладити према сценарију примене.
1, предуслов за избор језгра: прво испуните електричне захтеве-високе фреквенције
У сценаријима високе{0}}фреквентности, електричне перформансе материјала имају приоритет над топлотном проводљивошћу. Ако материјали топлотне проводљивости узрокују превелик губитак сигнала и неусклађеност импедансе, чак и ако је коефицијент топлотне проводљивости висок, не могу се користити:
Адаптација фреквентног опсега:
Сценарији средње и високе фреквенције од 3~10ГХз (као што су Ви-Фи 6 и Суб-6Г комуникација): Може се изабрати ФР-4 побољшане високе топлотне проводљивости, који захтева стабилан Дк од 3,0~4,0 Дф мањи или једнак 0,008;
Сценарији од 10~30ГХз и изнад милиметарских таласа (као што су 5Г милиметарски талас и радар): Низак Дк (мањи или једнак 2,5) и низак Дф (мањи или једнак 0,002) угљеник водоник керамичке композите и керамичке матричне материјале треба изабрати да би се избегло слабљење сигнала.
Термоелектрични биланс параметара: Повећање топлотне проводљивости материјала обично је праћено додатком пунила. Неопходно је проверити да ли ће пуниоци изазвати прекомерни Дк фреквентни/температурни дрифт и повећање Дф да би се избегло увођење проблема са интегритетом сигнала.
2, Сценарији топлотне проводљивости и адаптације уобичајених високофреквентних штампаних материјала подлоге
Топлотна проводљивост, електричне перформансе и применљиви сценарији различитих материјала супстрата значајно варирају и могу се изабрати према захтевима за густину снаге и фреквентни опсег:
| Врста материјала | Типична топлотна проводљивост В/(м · К) | Високофреквентне електричне перформансе | Применљиви опсег густине снаге | Основни применљиви сценарији |
|---|---|---|---|---|
| Конвенционални ФР-4 супстрат | 0.25~0.5 | Дф се погоршава на 0,022-0,035 изнад 10ГХз, са великим флуктуацијама у Дк | <5В/цм² | Високо-фреквентна кола мале снаге -испод 3ГХз, сценарији осетљиви на цену |
| Висока топлотна проводљивост модификована ФР-4 подлога | 0.8~1.5 | Дф се може контролисати између 0,008~0,015 на 10ГХз, а стабилност Дк је побољшана | 5~15В/цм² | 3~10ГХз средње снаге високе-сценарије, као што су обични РФ предњи- и индустријска контролна РФ плоча |
| Метална подлога на бази алуминијума (МЦПЦБ) | 1.0~5.0 (обичан тип); 8~50В/(м · К) (тип изолационог слоја високе топлотне проводљивости) | Дф изолационог слоја је релативно висок и погодан само за сценарије испод 10 ГХз | 15~50В/цм² | РФ сценарији велике снаге испод 10 ГХз, као што су РФ извори напајања и високофреквентни модули постављени у возило- |
| Метална подлога на бази бакра | 200~400 (термоелектрични тип раздвајања) | Потребан је изолациони слој са малим губицима, са-губицима високе фреквенције нешто вишим од керамичке подлоге | >50В/цм² | Сценарији ултра велике снаге и високе{0}}фреквенције испод 10 ГХз, као што су РФ појачала велике{2}} |
| Керамичка подлога од алуминијум оксида | 20~30 | Дк≈9,8,Дф Мање или једнако 0,0005, Одличне перформансе високе{2}}фреквенције | 50~100В/цм² | РФ сценарији велике снаге изнад 10 ГХз, као што су ИГБТ РФ модули и авионика |
| Керамичка подлога од алуминијум нитрида | 150~200 | Дк≈8,8,Дф Мање или једнако 0,0003, Стабилне перформансе у фреквенцијском опсегу милиметарских таласа | >100В/цм² | Сценарији милиметарских таласа велике снаге изнад 24 ГХз, као што су радари и врхунски{1}} РФ ласери |
3, Избор одговарајућих материјала за термичку интерфејс (ТИМ)
Поред саме подлоге, материјал термичког интерфејса између грејног елемента и расхладног елемента/подлоге треба да одговара захтевима високо{0}}сценарија високе фреквенције:
Захтеви за ниске паразитне параметре: Приоритет треба дати коришћењу танких топлотно проводних материјала са ниском диелектричном константом како би се избегло увођење додатне паразитне капацитивности која утиче на импедансу високе{0}}фреквенције;
Избор топлотне проводљивости:
Обични уређаји за напајање: користе топлотно проводну силиконску маст са топлотном проводљивошћу од 2~5В/(м · К) и топлотно проводне заптивке, ниске цене и добре обрадивости;
РФ чип са високим топлотним флуксом: топлотно проводљиви гел и материјал за промену фазе са топлотном проводљивошћу од 8~15В/(м · К) могу се користити за попуњавање микро празнина и смањење контактног топлотног отпора;
Захтеви за изолацију: Термоизолациони материјали са отпорним напоном већим од или једнаким 3кВ/мм треба да се изаберу за сценарије високог{1}}напона и високе{2}}фреквенције да би се избегли кварови високог-напона.
4, одлука о одабиру{1}}доношење корака
Фиксни фреквентни опсег: Одредите Дк и Дф прагове материјала на основу радне фреквенције и прегледајте опсег материјала који испуњавају захтеве електричних перформанси;
Израчунајте снагу: Израчунајте густину снаге грејног елемента језгра и ускладите га са подлогом која одговара нивоу топлотне проводљивости
Густина снаге<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Густина снаге од 15~50В/цм²: изаберите изолациони слој високе топлотне проводљивости на бази МЦПЦБ алуминијума;
Power density>50В/цм², испод 10ГХз: изаберите МЦПЦБ на бази бакра;
Power density>50В/цм², изнад 10ГХз: одабрана је керамичка подлога, са приоритетом дат керамици од алуминијум нитрида у милиметарским таласима ултра-сценарије велике снаге;
Калибрационо усклађивање топлоте: Проверите компатибилност коефицијента термичког ширења (ЦТЕ) материјала са чипом и бакарном фолијом. На пример, ЦТЕ З- осе ФР-4 је 40-60ппм/степен, а ЦТЕ керамичке подлоге је ближи оном силицијумског чипа, што може смањити ризик од квара лемног споја који се одвија током термичког циклуса;
Контрола трошкова: Под претпоставком да испуните захтеве перформанси, избегавајте претерану употребу скупих материјала - као што је керамика од алуминијум нитрида, која има највећу топлотну проводљивост, али је 5-10 пута скупља од керамике од алуминијума и има економску-ефикасност само у сценаријима ултра-велике снаге милиметарских таласа.
5, Додатна помоћ при термичком дизајну
Одабир материјала је само основа управљања топлотом и треба га ускладити са структурним дизајном како би се максимизирала ефикасност дисипације топлоте:
Распоредите низ термалних пролазних{0}}отвора пречника 0,2-0,3 мм испод грејног елемента, користећи хексагонални блиски распоред да бисте смањили вертикални топлотни отпор;
Енергетски слој и геолошки слој користе бакар дебљине 2 оз (70 μм) или више, одржавајући стопу покривености бакром од преко 80%, као равни слој топлотне дифузије;
Разумно распоредите компоненте, резервишите конвекцијске канале и држите компоненте које производе високу топлоту даље од компоненти осетљивих на топлоту.