【选型】通往5G之路：功率放大器——5G移动基础设施中功放温升管理的考量

2018-03-07 ROGERS(世强编辑整理) 馨小喵
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在功放设计过程中，对于功放尺寸有限而功率较高的情况，若是温升过高，会影响板子的长期性能，因此需要考虑散热问题。接下来，将从以下三个方面来介绍5G移动基础设施中功放温升管理：（1）高功率应用中的PCB板材选型；（2）温升控制中的铜箔选择；（3）其他ROGERS材料的热管理选择。

 

一、高功率功放板材

如图1列举了几种Rogers公司的高功率板材，分别是RT/duroid® 5880，RO4350B™，RO3003™，TC350™与RT/duroid® 6035HTC。其中RT/duroid™ 5880曾经被用在高功率功放中，而RT/duroid® 6035HTC是为高导热特别设计的一款材料，其他三种也都广泛应用在功放设计中。而后，在以下假设条件下进行几款材料温升情况的对比：只在50欧姆传输线上进行导热率与温升测量，模型底部有无限大的散热齿，选用1oz的裸铜，没有表面处理，具有2.1微米的粗糙度。


如图1下方图示，列举了五款材料温升与损耗的情况：（1）虽然RT/duroid® 5880的损耗很低，它的Df只有0.0009，通常情况下它产生的热量比较低，但是由于它的TC仅0.2，导致它的温升反而是五种材料里最高的；（2）RT/duroid® 6035HTC的Df略微高于RT/duroid® 5880，为0.0013，它的特点在于高导热设计，因此TC高达1.44，所以它兼具低损耗与高导热的特性，温升值是五种材料里最低的；（3）RO4350B™在这五款材料中属于Dk与Df都是最高的，所以它的问题在于铜箔走线比较窄，整体损耗比较高，因此温升也高；（4）TC350™产生的热量与RO4350B™相似，但是由于它具有更低的导体损耗与更高的TC，因此温升更低；（5）RO3003™的Dk居中，Df较低，所以它的插入损耗较低，再加上它的TC较高，因此温升比较低。因此，若是想要同时满足极低损耗与温升，则可以选择RT/duroid® 6035HTC，当然它的价格较高；若对价格有要求，也想满足低损耗与温升的，则可以选择TC350™。


图1  Rogers高功率板材的比较

 

如图2是介质损耗和导热率与温升关系的仿真数据比较。假设Df分别为0.001、0.0015、0.002、0.003与0.004，这五种Df值与现在所能选到的板材的Df值相符。从图中可以看出，主要影响温升值的因素是TC，虽然五种材料的Df有较大差异，但只要使用高TC的材料，它的温升值可以得到很好的控制。


图2  Df和TC值与温升关系的比较

 

图3是RT/duroid® 5880、RO4350B、RT/duroid® 6035HTC与FR4材料的温升的实际数据比较。RT/duroid® 6035HTC的温升是四款待比较材料中最低的；虽然RT/duroid® 5880在损耗上远远低于RO4350B™，但是两者的温升却差不多，这也符合前面得出的TC是影响温升值的主要因素这一结论；FR4由于其本身Df比较大，它的温升明显高于另外三款板材。


图3  射频温升测试数据

 

如图4是Rogers公司板材高导热率产品路标，除了上述提到的几款材料，还要特别介绍Rogers公司在热固型材料当中也在研发高导热率产品。对于热固型材料而言，本身就具有相对比较高的导热率，但是就它的损耗范围而言，这样的导热率无法支撑其在100W及以上的功放设计。


图4  Rogers板材，高导热产品路标

 

二、温升控制中的铜箔选择

通常大家认为铜箔粗糙度对温升是没有影响的，但是铜箔粗糙度本身会带来射频材料损耗的增加，所以如图5对铜箔粗糙度与损耗的关系进行比较，可以看出在40-50GHz范围内已经存在明显的插损差异。


图5  铜箔粗糙度与损耗的关系

 

图6展示了铜箔粗糙度与温升的关系，在其他条件都相同的情况下，使用电解铜的温升为34℃，而使用LoPro铜箔的温升仅为19℃，因此在设计大功率电路时，选用低损耗的LoPro铜箔比较合适。


图6  铜箔粗糙度对温升的影响

 

三、其他Rogers材料的热管理选择

通常在热管理的时候除了选择板材，还会考虑功放机板的散热，Rogers也提供了一款COOLSPAN导热导电胶膜（TECA）作为选择。它本身是由填银的热固型导热导电胶制成，可用于粘结背厚铜的电路板、散热铜块、射频模块基板或外壳，它不需熔融压合，具有优异的高温性能，可以用于无铅回流焊。它有2mil和4mil两种厚度，宽度为12英寸，体电阻率为0.00038Ohm-cm，在laser flash测试方法下的导热率为6W/m/°K。此外，92ML系列板材能够提供独特的树脂和填料专用技术，使层压板和半固化片有能力应对当今市场上最具挑战的散热应用，如图7是它的特性与优势。


图7  92ML系列板材的特性与优势

 

综上所述，可以得出以下三个结论：（1）高导热率主要用于控制射频材料的温升；（2）材料之外需要考虑的因素为使用光滑的铜箔；（3）Rogers提供额外的材料解决方案帮助PCB表面散热。

 

技术顾问：Ivan

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全部评论（109）

  • 北冥之鲲 Lv8 2018-12-18
    5880带铜基板应该是损耗最低散热也比较好的材料，价格也是最高，多用于航天，低成本散热材料TC350适合商用，6035HTC价格适中，适用于雷达。
  • 亚伦 Lv7. 资深专家 2019-01-21
    好好学习。
  • Chan Lv8. 研究员 2019-01-16
    学习
  • Mbe Lv7. 资深专家 2019-01-16
    文章不错
  • 冬天 Lv5. 技术专家 2019-01-16
    学习了
  • zhouchao Lv5. 技术专家 2019-01-15
    学习了
  • Jin Lv8. 研究员 2019-01-14
    好东西！
  • xqy Lv5. 技术专家 2019-01-13
    学习学习
  • ZF Lv4. 资深工程师 2019-01-11
    不错，有没有关于热设计的
  • 用户49108147 Lv4. 资深工程师 2019-01-11
    学习
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产品系列
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正切角损耗（Df）
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导热系数W/(m·K)
铜箔类型
铜箔1厚度
铜箔2厚度
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层压板
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电解铜
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