Odabir toplotno provodljivih materijala za visoko{0}}štampane ploče ne bi trebao imati samo najveću toplotnu provodljivost, već i zadovoljiti tri osnovne dimenzije visoko-zahtjeva električnih performansi (stabilna dielektrična konstanta Dk, niski dielektrični gubici Df), usklađivanje toplinskih performansi (odgovarajuća toplotna provodljivost, koeficijent toplotne ekspanzije i temperaturni koeficijent procesa širenja i koeficijent toplotne ekspanzije. Ne postoji apsolutno "najbolji" univerzalni materijal, a optimalno rješenje treba uskladiti prema scenariju primjene.
1, preduvjet za odabir jezgra: prvo ispunite zahtjeve za visokofrekventnu električnu energiju
U visoko-scenarijima, električne performanse materijala imaju prioritet nad toplotnom provodljivošću. Ako materijali toplinske provodljivosti uzrokuju prevelik gubitak signala i neusklađenost impedancije, čak i ako je koeficijent toplinske vodljivosti visok, ne mogu se koristiti:
Adaptacija frekvencijskog opsega:
Scenariji srednje i visoke frekvencije od 3~10 GHz (kao što su Wi-Fi 6 i Sub-6G komunikacija): može se odabrati poboljšana visoka toplotna provodljivost FR-4, koja zahtijeva stabilan Dk od 3,0~4,0 Df manji ili jednak 0,008;
Scenariji milimetarskih talasa od 10~30GHz i iznad (kao što su 5G milimetarski talas i radar): Nizak Dk (manji ili jednak 2,5) i nizak Df (manji ili jednak 0,002) treba odabrati ugljenik vodonik keramičke kompozite i keramičke matrične materijale kako bi se izbjeglo slabljenje signala.
Termoelektrični bilans parametara: Povećanje toplotne provodljivosti materijala obično je praćeno dodatkom punila. Neophodno je provjeriti da li će punioci uzrokovati prekomjerni drift frekvencije/temperature Dk i povećanje Df kako bi se izbjeglo uvođenje problema s integritetom signala.
2, Scenariji toplinske provodljivosti i adaptacije uobičajenih visokofrekventnih PCb materijala podloge
Toplotna provodljivost, električne performanse i primjenjivi scenariji različitih materijala podloge značajno se razlikuju i mogu se odabrati prema zahtjevima gustine snage i frekvencijskog opsega:
| Vrsta materijala | Tipična toplotna provodljivost W/(m · K) | Visokofrekventne električne performanse | Primjenjivi raspon gustine snage | Osnovni primjenjivi scenariji |
|---|---|---|---|---|
| Konvencionalni FR-4 supstrat | 0.25~0.5 | Df se pogoršava na 0,022-0,035 iznad 10GHz, sa velikim fluktuacijama u Dk | <5W/cm² | Visokofrekventna kola male snage -ispod 3GHz, scenariji osjetljivi na troškove |
| Visoka toplotna provodljivost modifikovana FR-4 podloga | 0.8~1.5 | Df se može kontrolisati između 0,008~0,015 na 10GHz, a stabilnost Dk je poboljšana | 5~15W/cm² | 3~10GHz srednje snage visoke-scenarije, kao što su obični RF prednji- i industrijska kontrolna RF ploča |
| Metalna podloga na bazi aluminijuma (MCPCB) | 1.0~5.0 (običan tip); 8~50W/(m · K) (tip izolacionog sloja visoke toplotne provodljivosti) | Df izolacionog sloja je relativno visok i pogodan samo za scenarije ispod 10 GHz | 15~50W/cm² | RF scenariji velike snage ispod 10 GHz, kao što su RF izvori napajanja i visokofrekventni moduli ugrađeni u vozilo- |
| Metalna podloga na bazi bakra | 200~400 (termoelektrično odvajanje) | Potreban je izolacijski sloj s malim gubicima, sa-gubicima visoke frekvencije malo višim od keramičke podloge | >50W/cm² | Scenariji ultra velike snage i visoke{0}}frekvencije ispod 10GHz, kao što su RF pojačala velike{2}} |
| Keramička podloga od aluminijum oksida | 20~30 | Dk≈9,8,Df Manje ili jednako 0,0005, Odlične performanse visoke-frekvencije | 50~100W/cm² | RF scenariji velike snage iznad 10 GHz, kao što su IGBT RF moduli i avionika |
| Keramička podloga od aluminijum nitrida | 150~200 | Dk≈8,8,Df Manje ili jednako 0,0003, Stabilne performanse u frekvencijskom opsegu milimetarskog talasa | >100W/cm² | Scenariji milimetarskog talasa velike snage iznad 24 GHz, kao što su radari i-visoki RF laseri |
3, Izbor odgovarajućih materijala za termičko sučelje (TIM)
Pored same podloge, materijal termičkog interfejsa između grijaćeg elementa i hladnjaka/podloge treba da odgovara zahtjevima visoko{0}}scenarija visoke frekvencije:
Zahtjevi niskih parazitnih parametara: Prioritet treba dati korištenju tankih, toplotno provodljivih materijala niske dielektrične konstante kako bi se izbjeglo uvođenje dodatne parazitne kapacitivnosti koja utiče na impedanciju visoke{0}}frekvencije;
Izbor toplotne provodljivosti:
Obični uređaji za napajanje: koriste toplotno provodljivu silikonsku mast sa toplotnom provodljivošću od 2~5W/(m · K) i toplotno provodljive zaptivke, niske cene i dobre obradivosti;
RF čip sa visokim toplotnim fluksom: toplotno provodljivi gel i materijal za promenu faze sa toplotnom provodljivošću od 8~15W/(m · K) mogu se koristiti za popunjavanje mikro šupljina i smanjenje kontaktnog toplotnog otpora;
Zahtjevi za izolaciju: Termoizolacioni materijali sa otpornim naponom većim ili jednakim 3kV/mm trebaju biti odabrani za scenarije visokog-napona i visoke-frekvencije kako bi se izbjegao kvar visokog-napona.
4, odluka o odabiru-donošenje koraka
Fiksni frekventni opseg: Odredite Dk i Df pragove materijala na osnovu radne frekvencije i pregledajte raspon materijala koji ispunjavaju zahtjeve električnih performansi;
Izračunajte snagu: Izračunajte gustinu snage grijaćeg elementa jezgre i uskladite ga s podlogom koja odgovara nivou toplinske provodljivosti
Gustina snage<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Gustina snage od 15~50W/cm²: izaberite izolacioni sloj visoke toplotne provodljivosti na bazi aluminijuma MCPCB;
Power density>50W/cm², ispod 10GHz: izaberite MCPCB na bazi bakra;
Power density>50W/cm², iznad 10GHz: odabrana je keramička podloga, s prioritetom dat keramici od aluminijum nitrida u milimetarskim talasima ultra-scenarije velike snage;
Kalibracija toplinskog usklađivanja: Provjerite kompatibilnost koeficijenta toplinskog širenja (CTE) materijala sa čipom i bakrenom folijom. Na primjer, CTE Z- osi FR-4 je 40-60ppm/stepen, a CTE keramičke podloge je bliži onom silikonskog čipa, što može smanjiti rizik od kvara lemnog spoja koji se ciklički odvija;
Kontrola troškova: Pod pretpostavkom ispunjavanja zahtjeva za performansama, izbjegavajte pretjeranu upotrebu skupih materijala - kao što je keramika od aluminij nitrida, koja ima najveću toplotnu provodljivost, ali je 5-10 puta skuplja od keramike od aluminijeva oksida i ima ekonomičnost-samo u scenarijima ultra-velike snage milimetarskog talasa.
5, Dodatna pomoć pri termičkom dizajnu
Odabir materijala je samo osnova upravljanja toplinom i potrebno ga je uskladiti sa strukturnim dizajnom kako bi se maksimizirala efikasnost odvođenja topline:
Postavite termalni niz rupa prečnika 0,2-0,3 mm ispod grijaćeg elementa, koristeći šesterokutni bliski raspored kako biste smanjili vertikalni termički otpor;
Energetski sloj i geološki sloj koriste bakar debljine 2 oz (70 μm) ili više, održavajući stopu pokrivenosti bakrom od preko 80%, kao ravni sloj toplotne difuzije;
Razumno rasporedite komponente, rezervišite konvekcijske kanale i držite komponente koje proizvode visoku toplotu dalje od komponenti osetljivih na toplotu.