電路材料的 功率處理能力與其控制溫升的能力有關(guān)，而溫升又是外加功率和耗散功率的函數。對于大多數電子元器件而言，工作溫度升高將會(huì )縮短其工作壽命，并且經(jīng)常還會(huì )降 低其電氣性能。不管是環(huán)境溫度較高，還是因大功率工作而引起的電路及其元器件溫度升高，其結果都會(huì )導致高溫下的損壞和性能下降。根據電路必須耗散的功率大 小，使該電路保持在較低的溫度下，通常能夠保證較高的可靠性。

PCB在高溫下會(huì )發(fā)生什么現象呢？就像大多數材料一樣，PCB 會(huì )隨溫度變化而熱脹冷縮——當溫度上升時(shí)，PCB會(huì )在三個(gè)軸向上(長(cháng)度、寬度和厚度)膨脹。這種隨溫度變化導致的膨脹程度，可以用PCB材料的熱膨脹系數 (CTE)來(lái)表征。因為PCB通常由覆銅(用于形成傳輸線(xiàn)和地平面)電介質(zhì)形成，所以該材料在x和y方向上的線(xiàn)性CTE，通常設計得與銅的CTE(約 17ppm/℃)相匹配。通過(guò)這種方法，這些材料就會(huì )隨溫度的變化而一起膨脹和收縮，從而最大程度地減小了兩種材料連接處的應力。

電介質(zhì)材料z軸(厚度)的CTE，通常設計為較低的值，以便最大程度地減小隨溫度而發(fā)生的尺寸變化，并保持電鍍通孔(PTH)的完整性。PTH為接地和多層電路板互連，提供所需的從電路板頂層到底層的路徑。

除了機械變化以外，溫度還會(huì )影響PCB的電氣性能。例如，PCB層壓板的 相對介電常數是溫度的函數，由介電常數的熱系數這一參數所定義。該參數描述了介電常數的變化(單位通常是ppm/℃)。由于高頻傳輸線(xiàn)的阻抗不僅取決于基 板材料的厚度，而且取決于其介電常數，因此z軸的CTE和作為溫度函數的介電常數的變化，會(huì )顯著(zhù)影響在這種材料上制作的微帶和帶狀傳輸線(xiàn)的阻抗。

當然，微波電路依賴(lài)于元器件和電路結點(diǎn)之間緊密匹配的阻抗，來(lái)最大限度地減小可能導致信號損失和相位失真的反射。在功放電路中，阻抗匹配電路用于實(shí)現從功率 晶體管的典型低阻抗到射頻/微波電路或系統的典型50Ω特性阻抗的轉化。由大功率信號的溫度效應引起的傳輸線(xiàn)阻抗的變化，可能改變高頻放大器的頻率響應， 因此，應通過(guò)仔細選擇PCB層壓板來(lái)盡可能減小這些效應。

在選擇在大功率電平和高頻下有助于最大限度減小熱量產(chǎn)生的PCB材料時(shí)，還有許多其他的參數也很有用。在某個(gè)溫度點(diǎn)，某些材料會(huì )改變其狀態(tài)，這個(gè)溫 度就是其中的一個(gè)參數——被稱(chēng)為液態(tài)玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度(簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)g)。例如，它能夠指示在一種材料的CTE特性中，將發(fā)生巨大改變的溫度 (圖1)。由于材料的CTE會(huì )經(jīng)歷相當大的變化，當工作溫度超過(guò)Tg時(shí)，材料的機械和電氣性能會(huì )變得不穩定，因此，除了短暫的處理過(guò)程(如在回流焊過(guò)程 中，材料要求處于較高溫度下)外，工作溫度應始終保持在該溫度以下。

圖1：PCB材料的熱膨脹系數(CTE)特性在高于材料的玻璃化溫度Tg時(shí)會(huì )發(fā)生急劇變化，并且在機械和電氣方面變得不穩定。 

另外一個(gè)與溫度有關(guān)的關(guān)鍵參數是PCB的最高工作溫度(MOT)。MOT是保險商實(shí)驗室(UL)給特定電路制作場(chǎng)所使用特定PCB材料生產(chǎn)的單一PCB結構 定義的一個(gè)額定值。MOT是PCB能夠在任何時(shí)長(cháng)內正常工作又不會(huì )顯著(zhù)降低電路關(guān)鍵性能屬性的最高溫度。如果電路在高于MOT的溫度下工作了一段較長(cháng)時(shí) 間，可靠性風(fēng)險將值得考慮。MOT額定值意味著(zhù)為PCB提供了安全的高溫指示，雖然它并未包含高輸入功率電平對PCB的影響。

PCB 材料的熱導率可以用作層壓板散熱效率的相對指示器。該參數本質(zhì)上描述了PCB材料的導熱能力，其計量單位是每米材料每開(kāi)爾文溫度的瓦特功率。與電導率和電 子在材料中的流動(dòng)類(lèi)似，熱導率用于預計熱量通過(guò)給定材料時(shí)的能量損耗率。熱導率的倒數是熱阻率，或材料阻止熱量流動(dòng)的能力。

跟蹤熱導率

熱導率取決于材料的各種屬性，例如其分子結構。舉例來(lái)說(shuō)，玻璃是一種較差的熱導體，具有1.1W/(m-K)的極低熱導率。另一方面，銅對熱量流動(dòng)的阻抗很 低，具有401W/(m-K)的非常高的熱導率。由于PCB介電材料的熱導率特別低(高Tg FR-4電路材料的熱導率一般在0.24W/(m-K)左右)，因此熱量能夠很容易地在大功率PCB的導線(xiàn)(這些導線(xiàn)通常是用具有極低熱阻的銅做的)上積 聚起來(lái)。但選擇具有較高熱導率的PCB材料，允許電路工作在較高的功率電平。

下表對一些典型的PCB層壓材料進(jìn)行了比較(其 中包括Rogers公司相對較新的產(chǎn)品RT/duroid 6035HTC層壓材料)。如表中所示那樣，RT/duroid 6035HTC材料具有比FR-4、甚至若干低損耗高頻層壓材料高得多的熱導率。這種材料由陶瓷填充的PTFE復合電介質(zhì)和標準或反向處理過(guò)的電解 (ED)銅箔組成。該材料由于具有很高的熱導率，因而被廣泛地用于數百瓦特的功率微波放大器中進(jìn)行高效的熱管理。在z軸上，它在10GHz時(shí)的相對介電常 數為3.50，并且其在整個(gè)電路板上的公差保持在±0.05之內，從而保持傳輸線(xiàn)的阻抗一致。x和y軸的CTE是19ppm/℃，與銅的CTE接近匹配。

當然，在電路設計中，正確的熱管理并不只是簡(jiǎn)單地選擇具有最佳熱屬性的電路層壓板。有許多其它因素會(huì )影響工作在給定功率電平和頻率的電路的溫度。例如，電路材料由耗散因數來(lái)表征，它是由介電材料引起的損耗。還有通過(guò)傳導性傳輸線(xiàn)(例如微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)電路)的損耗，并且越高的插入損耗，將導致傳輸線(xiàn)在較高的功率電平下產(chǎn)生越多的熱量。PCB上銅導體的粗糙性會(huì )導致插損的增加，特別是在較高頻率時(shí)。

此外，PCB材料介電常數的選擇將決定射頻/微波電路的尺寸和密度，因為微波傳輸線(xiàn)結構的尺寸取決于要處理的信號波長(cháng)。當相對介電常數較大時(shí)，達到 給定阻抗所需的傳輸線(xiàn)的尺寸會(huì )較小，而PCB的功率處理能力將受限于導線(xiàn)的寬度和插損以及地平面間距。舉例來(lái)說(shuō)，對于一個(gè)放大器電路，選擇具有較小相對介 電常數的PCB材料，對于給定阻抗可以使傳輸線(xiàn)更寬，從而改善熱流。使用相對介電常數較大的PCB材料，將導致更細的傳輸線(xiàn)尺寸和間距更密的電路，因而在 大功率電路中可能形成熱點(diǎn)。另外，選擇低耗散因數的材料，有助于最大程度地減小傳輸線(xiàn)的插損，并優(yōu)化放大器電路的增益。

借助 免費的MWI 2010微波阻抗計算器軟件，我們仿真了幾種不同PCB層壓板在大功率電平下使用時(shí)的特性，并把MOT作為決定每種材料實(shí)際能夠處理的最大射頻功率的關(guān)鍵 參數。每種材料的MOT假設為+105℃。在每個(gè)計算用例中，使用的環(huán)境溫度都是+25℃(室溫)，同時(shí)，針對不同的功率電平，對環(huán)境溫度以上的溫升作了 預測。每種材料上都使用2盎司的銅作為導電疊層，制作了相同的20mil厚、50Ω微帶線(xiàn)測試電路。在把高Tg FR-4層壓板與Rogers公司的RO4350B層壓板相比較后可以發(fā)現，在800MHz時(shí)，對于可比的溫升，功率處理能力的預測差異非常顯著(zhù)(圖 2)。在射頻功率電平約40W時(shí)，FR-4相對于環(huán)境的溫升約為+75℃；而RO4350B層壓板相對環(huán)境溫升約+77℃時(shí)的射頻功率幾乎接近250W。

圖2：MWI 2010微波阻抗計算器的預測表明，與工作在800MHz的高Tg值FR-4和RO4350B層壓板相比，RT/duroid 6035HTC的高熱導率轉換成更高的功率處理能力。 

把RT/duroid 6035HTC層壓板增加到2GHz更高頻率的MWI 2010仿真中，并假設電路與材料(2盎司銅)條件與800MHz仿真時(shí)相同，在溫升高于環(huán)境溫度接近+90℃時(shí)，FR-4實(shí)際表現出較低的功率處理能力 (約25W)；而工作在2GHz的RO4350B對于約150W的射頻功率，顯示出接近+85℃的溫升(圖3)。RT/duroid 6035HTC專(zhuān)門(mén)針對大功率使用而設計，經(jīng)過(guò)這些MWI 2010仿真表明，它在2GHz頻率、350W射頻功率以上工作時(shí)，相對環(huán)境的溫升僅超過(guò)+80℃。這些仿真使我們不僅更加意識到了RT/duroid 6035HTC層壓板在大功率電平下的期望能力，而且更加認識了另外兩種材料的功率處理能力對頻率的依賴(lài)性。

圖3：這些仿真結果表明，與工作在2GHz的高Tg FR-4和RO4350B層壓板相比，RT/duroid 6035HTC的高熱導率能轉換成更高的功率處理能力。

當上述三種材料用相同測試電路進(jìn)行測試，但每種電路接收相同頻率和功率電平的測試信號時(shí)，高Tg FR-4展現出最高的溫升——達到+109℃(+229℉)或相對環(huán)境溫度升高了+84℃；RO4350B層壓板的溫升為+56℃，從+25℃上升到 了+82℃(+180℉)；RT/duroid 6035HTC在相同測試條件下，相對環(huán)境的溫升僅為+36℃(從+25℃到+62℃)。

在所有其它測試條件相同的情況下，我們對Rogers RO4003C層壓板和采用1盎司ED銅和2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC層壓板作了進(jìn)一步測試。該測試揭示了非常有趣的銅表面影響力的結果。當測試頻率為800MHz(圖4)，所有三種層壓板相對環(huán)境溫度的溫升 達到+80℃時(shí)，采用2盎司ED銅的RO4003C層壓板所需的功率約為280W，采用2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC所需功率約為700W，采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC所需功率接近800W。當測試頻率為2GHz(圖5)、溫升相同的條件下，RO4003C的功率處理能力下降至約140W，采用2盎司銅的 RT/duroid 6035HTC的功率處理能力約380W，而采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的功率處理能力超過(guò)400W。采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的性能超過(guò)更厚覆層的相同電介質(zhì)的原因是，前者具有更光滑的銅表面(因而具有更小的插損)。

圖4：這張圖對采用2盎司銅的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC工作在800MHz時(shí)的功率處理能力進(jìn)行了比較。

圖5：這張圖對采用2盎司銅的RO4003C、RT/duroid 6035HTC和采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC工作在2GHz時(shí)的功率處理能力進(jìn)行了比較。

上述這些測試表明，所有PCB材料在處理高射頻功率電平時(shí)都會(huì )發(fā)生溫升。但不同材料、甚至不同的覆銅層都會(huì )影響電路的功率處理能力。如果為了確保PCB層壓 板和高頻設計具有較長(cháng)的工作壽命而考慮保守的MOT參數，那么在材料選擇時(shí)，應該把低損耗、高熱導率和穩定的機械溫度特性考慮在內。