Bei der Auswahl wärmeleitender Materialien für Hochfrequenz-Leiterplatten sollte nicht nur die höchste Wärmeleitfähigkeit angestrebt werden, sondern auch die drei Kerndimensionen Hochfrequenz-Elektroleistungsanforderungen (stabile Dielektrizitätskonstante Dk, geringer dielektrischer Verlust Df), thermische Leistungsanpassung (passende Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient) sowie Prozess- und Kostenbeschränkungen erfüllt werden. Es gibt kein absolut „bestes“ Universalmaterial und die optimale Lösung sollte je nach Anwendungsszenario abgestimmt werden.
1, Voraussetzung für die Kernauswahl: Erfüllen Sie zunächst die elektrischen Hochfrequenzanforderungen
In Hochfrequenzszenarien hat die elektrische Leistung von Materialien Vorrang vor der Wärmeleitfähigkeit. Wenn wärmeleitende Materialien einen übermäßigen Signalverlust und eine Impedanzfehlanpassung verursachen, können sie auch bei hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten nicht verwendet werden:
Frequenzbandanpassung:
Mittel- bis Hochfrequenzszenarien mit 3 bis 10 GHz (z. B. Wi-Fi 6 und Sub-6G-Kommunikation): FR-4 mit verbesserter hoher Wärmeleitfähigkeit kann ausgewählt werden, was einen stabilen Dk von 3,0 bis 4,0 Df erfordert. Weniger als oder gleich 0,008;
Millimeterwellenszenarien von 10 bis 30 GHz und höher (z. B. 5G-Millimeterwellen und Radar): Kohlenstoff-Wasserstoff-Keramikverbundwerkstoffe und Keramikmatrixmaterialien mit niedrigem Dk (kleiner als oder gleich 2,5) und niedrigem Df (kleiner oder gleich 0,002) sollten ausgewählt werden, um eine Signaldämpfung zu vermeiden.
Thermoelektrischer Parameterausgleich: Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien geht in der Regel mit der Zugabe von Füllstoffen einher. Es muss überprüft werden, ob die Füllstoffe eine übermäßige Dk-Frequenz-/Temperaturdrift und einen Df-Anstieg verursachen, um Probleme mit der Signalintegrität zu vermeiden.
2, Wärmeleitfähigkeit und Anpassungsszenarien gängiger Hochfrequenz-PCB-Substratmaterialien
Die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leistung und die Anwendungsszenarien verschiedener Substratmaterialien variieren erheblich und können je nach Leistungsdichte und Frequenzbandanforderungen ausgewählt werden:
| Materialtyp | Typische Wärmeleitfähigkeit W/(m · K) | Elektrische Hochfrequenzleistung | Anwendbarer Leistungsdichtebereich | Anwendbare Kernszenarien |
|---|---|---|---|---|
| Herkömmliches FR-4-Substrat | 0.25~0.5 | Df verschlechtert sich auf 0,022–0,035 über 10 GHz, mit großen Schwankungen bei Dk | <5W/cm² | Hochfrequenzschaltungen mit geringem Stromverbrauch unter 3 GHz, kostenempfindliche Szenarien |
| Modifiziertes FR-4-Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit | 0.8~1.5 | Df kann zwischen 0,008 und 0,015 bei 10 GHz gesteuert werden und die Dk-Stabilität wird verbessert | 5~15W/cm² | Hochfrequenzszenarien mit mittlerer Leistung von 3 bis 10 GHz, z. B. normale HF-Frontend- und industrielle Steuerungs-HF-Platine |
| Aluminiumbasiertes Metallsubstrat (MCPCB) | 1,0~5,0 (normaler Typ); 8~50 W/(m · K) (Isolierschichttyp mit hoher Wärmeleitfähigkeit) | Der Df der Isolationsschicht ist relativ hoch und nur für Szenarien unter 10 GHz geeignet | 15~50W/cm² | Hochleistungs-HF-Szenarien unter 10 GHz, z. B. HF-Stromversorgungen und in Fahrzeugen montierte Hochfrequenzmodule |
| Metallsubstrat auf Kupferbasis | 200~400 (thermoelektrischer Trenntyp) | Es ist eine verlustarme Isolationsschicht erforderlich, wobei der Hochfrequenzverlust etwas höher ist als der des Keramiksubstrats | >50W/cm² | Ultrahochleistungs- und Hochfrequenzszenarien unter 10 GHz, z. B. Hochleistungs-HF-Verstärker |
| Aluminiumoxid-Keramiksubstrat | 20~30 | Dk≈9,8,Df Kleiner oder gleich 0,0005, ausgezeichnete Hochfrequenzleistung | 50~100W/cm² | Hochleistungs-HF-Szenarien über 10 GHz, wie z. B. IGBT-HF-Module und Avionik |
| Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat | 150~200 | Dk≈8,8,Df Kleiner oder gleich 0,0003, stabile Leistung im Millimeterwellen-Frequenzband | >100W/cm² | Hochleistungs-Millimeterwellenszenarien über 24 GHz, wie Radar und High-End-HF-Laser |
3, Auswahl passender thermischer Schnittstellenmaterialien (TIM)
Zusätzlich zum Substrat selbst muss das thermische Schnittstellenmaterial zwischen dem Heizelement und dem Kühlkörper/Substrat den Anforderungen von Hochfrequenzszenarien entsprechen:
Anforderungen an niedrige parasitäre Parameter: Vorrang sollte der Verwendung dünner, wärmeleitender Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante eingeräumt werden, um die Einführung zusätzlicher parasitärer Kapazitäten zu vermeiden, die sich auf die Hochfrequenzimpedanz auswirken.
Auswahl der Wärmeleitfähigkeit:
Gewöhnliche Stromversorgungsgeräte: Verwendung von wärmeleitendem Silikonfett mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2 bis 5 W/(m · K) und wärmeleitenden Dichtungen zu geringen Kosten und guter Verarbeitbarkeit;
RF-Chip mit hohem Wärmefluss: Wärmeleitendes Gel und Phasenwechselmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 8 bis 15 W/(m·K) können zum Füllen von Mikrohohlräumen und zur Reduzierung des Kontaktwärmewiderstands verwendet werden.
Isolationsanforderungen: Für Hochspannungs- und Hochfrequenzszenarien sollten Wärmeisolationsmaterialien mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 3 kV/mm ausgewählt werden, um einen Hochspannungsdurchschlag zu vermeiden.
4, Schritte zur Auswahlentscheidung-
Festes Frequenzband: Bestimmen Sie die Dk- und Df-Schwellenwerte von Materialien basierend auf der Betriebsfrequenz und prüfen Sie die Auswahl an Materialien, die die elektrischen Leistungsanforderungen erfüllen.
Leistung berechnen: Berechnen Sie die Leistungsdichte des Kernheizelements und gleichen Sie diese mit dem Substrat entsprechend der Wärmeleitfähigkeit ab
Leistungsdichte<15W/cm ²: High thermal conductivity modified FR-4 is preferred for the highest cost-effectiveness;
Leistungsdichte von 15 bis 50 W/cm²: Wählen Sie MCPCB mit einer Isolierschicht auf Aluminiumbasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Power density>50 W/cm², unter 10 GHz: Wählen Sie MCPCB auf Kupferbasis;
Power density>50 W/cm², über 10 GHz: Keramiksubstrat wird ausgewählt, wobei Aluminiumnitridkeramik in Millimeterwellen-Ultrahochleistungsszenarien Vorrang eingeräumt wird;
Kalibrierungswärmeanpassung: Überprüfen Sie die Kompatibilität des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Materials mit dem Chip und der Kupferfolie. Beispielsweise beträgt der CTE der Z--Achse von FR-4 40–60 ppm/Grad, und der CTE des Keramiksubstrats liegt näher an dem des Siliziumchips, was das Risiko eines Versagens der Lötverbindung durch Temperaturwechsel verringern kann;
Kostenkontrolle: Unter der Prämisse, die Leistungsanforderungen zu erfüllen, vermeiden Sie den übermäßigen Einsatz teurer Materialien - wie Aluminiumnitridkeramiken, die die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweisen, aber 5-10-mal teurer als Aluminiumoxidkeramiken sind und nur in Millimeterwellen-Ultrahochleistungsszenarien kosteneffizient sind.
5, Zusätzliche Unterstützung beim thermischen Design
Die Materialauswahl ist nur die Grundlage des Wärmemanagements und muss mit dem Strukturdesign koordiniert werden, um die Effizienz der Wärmeableitung zu maximieren:
Ordnen Sie unter dem Heizelement eine thermische Durchgangslochanordnung mit einem Durchmesser von 0,2–0,3 mm an. Verwenden Sie dabei eine sechseckige, enge Anordnung, um den vertikalen Wärmewiderstand zu verringern.
Die Leistungsschicht und die geologische Schicht verwenden Kupfer mit einer Dicke von 2 Unzen (70 μm) oder mehr, wobei eine Kupferabdeckungsrate von über 80 % als planare Wärmediffusionsschicht aufrechterhalten wird;
Ordnen Sie Komponenten sinnvoll an, reservieren Sie Konvektionskanäle und halten Sie stark wärmeerzeugende Komponenten von thermisch empfindlichen Komponenten fern.