De selectie van thermisch geleidende materialen voor hoog-printplaten moet niet alleen de hoogste thermische geleidbaarheid nastreven, maar ook voldoen aan de drie kerndimensies van hoog-elektrische prestatie-eisen met hoge frequentie (stabiele diëlektrische constante Dk, laag diëlektrisch verlies Df), aanpassing van thermische prestaties (passende thermische geleidbaarheid, temperatuurbestendigheid en thermische uitzettingscoëfficiënt) en proces- en kostenbeperkingen. Er bestaat geen absoluut "beste" universeel materiaal en de optimale oplossing moet worden afgestemd op het toepassingsscenario.
1, Voorwaarde voor kernselectie: voldoe eerst aan de- hoogfrequente elektrische vereisten
In hoogfrequente scenario's hebben de elektrische prestaties van materialen voorrang op de thermische geleidbaarheid. Als thermische geleidbaarheidsmaterialen overmatig signaalverlies en impedantie-mismatch veroorzaken, zelfs als de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt hoog is, kunnen ze niet worden gebruikt:
Aanpassing frequentieband:
3~10GHz midden- tot hogefrequentiescenario's (zoals Wi-Fi 6 en Sub-6G-communicatie): Verbeterde hoge thermische geleidbaarheid FR-4 kan worden geselecteerd, waarvoor een stabiele Dk van 3,0~4,0 Df vereist is. Minder dan of gelijk aan 0,008;
Millimetergolfscenario's van 10~30GHz en hoger (zoals 5G millimetergolf en radar): Lage Dk (minder dan of gelijk aan 2,5) en lage Df (minder dan of gelijk aan 0,002) koolstof-waterstof-keramische composieten en keramische matrixmaterialen moeten worden geselecteerd om signaalverzwakking te voorkomen.
Thermisch-elektrische parameterbalans: De toename van de thermische geleidbaarheid van materialen gaat meestal gepaard met de toevoeging van vulstoffen. Het is noodzakelijk om te verifiëren of de vulstoffen overmatige Dk-frequentie-/temperatuurdrift en Df-toename zullen veroorzaken om problemen met de signaalintegriteit te voorkomen.
2, Thermische geleidbaarheid en aanpassingsscenario's van reguliere hoogfrequente PCB-substraatmaterialen
De thermische geleidbaarheid, elektrische prestaties en toepasselijke scenario's van verschillende substraatmaterialen variëren aanzienlijk en kunnen worden geselecteerd op basis van de vermogensdichtheid en frequentiebandvereisten:
| Materiaaltype | Typische thermische geleidbaarheid W/(m · K) | Hoogfrequente elektrische prestaties | Toepasselijk vermogensdichtheidsbereik | Kerntoepasbare scenario's |
|---|---|---|---|---|
| Conventioneel FR-4-substraat | 0.25~0.5 | Df verslechtert tot 0,022-0,035 boven 10GHz, met grote schommelingen in Dk | <5W/cm² | Hoogfrequente circuits met laag vermogen onder 3 GHz, kostengevoelige scenario's |
| Gemodificeerd FR-4-substraat met hoge thermische geleidbaarheid | 0.8~1.5 | Df kan worden geregeld tussen 0,008 ~ 0,015 bij 10 GHz en de Dk-stabiliteit is verbeterd | 5~15W/cm² | 3~10GHz-scenario's met hoge frequentie met gemiddeld vermogen,-, zoals gewone RF-front-- en industriële RF-besturingskaarten |
| Metaalsubstraat op aluminiumbasis (MCPCB) | 1,0~5,0 (gewoon type); 8~50W/(m · K) (type isolatielaag met hoge thermische geleidbaarheid) | De Df van de isolatielaag is relatief hoog en alleen geschikt voor scenario's onder de 10GHz | 15~50W/cm² | RF-scenario's met hoog vermogen onder 10 GHz, zoals RF-voedingen en op voertuigen gemonteerde hoog-modules |
| Op koper gebaseerd metalen substraat | 200~400 (thermo-elektrisch scheidingstype) | Er is een isolatielaag met laag verlies vereist, met een hoog{0}}frequentieverlies dat iets hoger is dan bij een keramisch substraat | >50W/cm² | Scenario's met ultrahoog vermogen en hoge-frequenties onder 10 GHz, zoals hoog-RF-versterkers |
| Keramisch substraat van aluminiumoxide | 20~30 | Dk≈9,8,Df Minder dan of gelijk aan 0,0005, uitstekende prestaties bij hoge- frequenties | 50~100W/cm² | RF-scenario's met hoog vermogen boven 10 GHz, zoals IGBT RF-modules en luchtvaartelektronica |
| Keramisch substraat van aluminiumnitride | 150~200 | Dk≈8.8,Df Minder dan of gelijk aan 0,0003, Stabiele prestaties in millimetergolffrequentieband | >100W/cm² | Millimetergolfscenario's met hoog vermogen boven 24 GHz, zoals radar en hoogwaardige- RF-lasers |
3, Selectie van bijpassende thermische interfacematerialen (TIM)
Naast het substraat zelf moet het thermische interfacemateriaal tussen het verwarmingselement en het koellichaam/substraat voldoen aan de vereisten van hoog-scenario's:
Lage parasitaire parametervereisten: Er moet prioriteit worden gegeven aan het gebruik van dunne, thermisch geleidende materialen met een lage diëlektrische constante om te voorkomen dat er extra parasitaire capaciteit wordt geïntroduceerd die de hoge frequentie-impedantie beïnvloedt;
Selectie thermische geleidbaarheid:
Gewone krachtapparaten: gebruik van thermisch geleidend siliconenvet met een thermische geleidbaarheid van 2 ~ 5 W/(m · K) en thermisch geleidende pakkingen, met lage kosten en goede verwerkbaarheid;
RF-chip met hoge warmteflux: thermisch geleidende gel en faseveranderingsmateriaal met een thermische geleidbaarheid van 8 ~ 15 W/(m · K) kunnen worden gebruikt om microholtes op te vullen en de thermische contactweerstand te verminderen;
Isolatievereisten: Thermische isolatiematerialen met een weerstandsspanning groter dan of gelijk aan 3 kV/mm moeten worden geselecteerd voor scenario's met hoge- spanning en hoge- frequentie om doorslag door hoge- spanning te voorkomen.
4, Stappen voor het nemen van selectiebeslissingen-
Vaste frequentieband: Bepaal de Dk- en Df-drempels van materialen op basis van de werkfrequentie en screen het bereik van materialen die voldoen aan de elektrische prestatie-eisen;
Bereken vermogen: Bereken de vermogensdichtheid van het kernverwarmingselement en match deze met het substraat dat overeenkomt met het thermische geleidbaarheidsniveau
Vermogensdichtheid<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Vermogensdichtheid van 15~50W/cm²: kies voor een isolatielaag op basis van aluminium MCPCB met een hoge thermische geleidbaarheid;
Power density>50W/cm², onder 10GHz: kies MCPCB op basis van koper;
Power density>50 W/cm², boven 10 GHz: keramisch substraat wordt geselecteerd, waarbij voorrang wordt gegeven aan aluminiumnitride-keramiek in millimetergolf-ultra-scenario's met hoog vermogen;
Kalibratie-warmteafstemming: Controleer de compatibiliteit van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van het materiaal met de chip en koperfolie. De CTE op de Z--as van FR-4 is bijvoorbeeld 40-60 ppm/graad, en de CTE van het keramische substraat ligt dichter bij die van de siliciumchip, wat het risico op defecten aan de soldeerverbinding door thermische cycli kan verminderen;
Kostenbeheersing: op grond van het voldoen aan de prestatie-eisen, vermijd overmatig gebruik van dure materialen - zoals aluminiumnitride-keramiek, die de hoogste thermische geleidbaarheid heeft, maar 5-10 keer duurder is dan aluminiumoxide-keramiek, en alleen kosteneffectief is- in scenario's met millimetergolven en ultrahoog vermogen.
5, aanvullende hulp bij thermisch ontwerp
Materiaalkeuze is slechts de basis van thermisch beheer en moet worden gecoördineerd met het structurele ontwerp om de efficiëntie van de warmteafvoer te maximaliseren:
Plaats onder het verwarmingselement een reeks thermische gaten- met een diameter van 0,2-0,3 mm, waarbij u een zeshoekige opstelling gebruikt om de verticale thermische weerstand te verminderen;
De krachtlaag en de geologische laag gebruiken koper met een dikte van 2 oz (70 μm) of meer, waarbij een koperdekkingsgraad van meer dan 80% wordt gehandhaafd, als een vlakke thermische diffusielaag;
Plaats componenten op een redelijke manier, reserveer convectiekanalen en houd componenten die veel warmte genereren uit de buurt van thermisch gevoelige componenten.