PCB在高溫下會發(fā)生什么現(xiàn)象呢?就像大多數(shù)材料一樣,PCB會隨溫度變化而熱脹冷縮--當溫度上升時,PCB會在三個軸向上(長度、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(shù)(CTE)來表征。因為PCB通常由覆銅(用于形成傳輸線和地平面)電介質(zhì)形成,所以該材料在x和y方向上的線性CTE,通常設(shè)計得與銅的CTE(約17ppm/℃)相匹配。通過這種方法,這些材料就會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(shè)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,溫度還會影響PCB的電氣性能。例如,PCB層壓板的相對介電常數(shù)是溫度的函數(shù),由介電常數(shù)的熱系數(shù)這一參數(shù)所定義。該參數(shù)描述了介電常數(shù)的變化(單位通常是ppm/℃)。由于高頻傳輸線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(shù),因此z軸的CTE和作為溫度函數(shù)的介電常數(shù)的變化,會顯著影響在這種材料上制作的微帶和帶狀傳輸線的阻抗。
當然,微波電路依賴于元器件和電路結(jié)點之間緊密匹配的阻抗,來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現(xiàn)從功率晶體管的典型低阻抗到射頻/微波電路或系統(tǒng)的典型50Ω特性阻抗的轉(zhuǎn)化。由大功率信號的溫度效應引起的傳輸線阻抗的變化,可能改變高頻放大器的頻率響應,因此,應通過仔細選擇PCB層壓板來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,還有許多其他的參數(shù)也很有用。在某個溫度點,某些材料會改變其狀態(tài),這個溫度就是其中的一個參數(shù)--被稱為液態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(簡寫為Tg)。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會經(jīng)歷相當大的變化,當工作溫度超過Tg時,材料的機械和電氣性能會變得不穩(wěn)定,因此,除了短暫的處理過程(如在回流焊過程中,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。
另外一個與溫度有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)是PCB的最高工作溫度(MOT)。MOT是保險商實驗室(UL)給特定電路制作場所使用特定PCB材料生產(chǎn)的單一PCB結(jié)構(gòu)定義的一個額定值。MOT是PCB能夠在任何時長內(nèi)正常工作又不會顯著降低電路關(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時間,可靠性風險將值得考慮。MOT額定值意味著為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(shù)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爾文溫度的瓦特功率。與電導率和電子在材料中的流動類似,熱導率用于預計熱量通過給定材料時的能量損耗率。熱導率的倒數(shù)是熱阻率,或材料阻止熱量流動的能力。