חומרים למעגלי תדר גבוה בעלי מוליכות חום משופרת

John Coonrod & Allen F. Horn III
Rogers Corporation

ניהול תרמי היה תמיד נושא ראשי לדאגה בתכנון התקנים אלקטרוניים בעלי תדר והספק גבוה. בעבר, במרבית תכנוני מגברי ההספק, הרוב הגדול של הספק נובע מטרנזיסטורי FET בעלי הספק גבוה בעצמם. במקרים אלה, פיזור ההספק הגבוה מחייב צימוד ישיר של ה-FETs לגוף קירור בעל סנפירים, או הולכה דרך “מטבעות” נחושת הממוקמים באזורים בהם מצע הדיאלקטרי העשוי פולימר מורכב  (composite)הוסר במכונה. נדרש חיבור ישיר, מאחר שהחומר הדיאלקטרי הוא בשני סדרי גודל יותר נמוך במוליכות חום מאשר הנחושת.
לאחרונה התעורר עניין גובר בחומרים שכבתיים עבור מעגלי תדר גבוה בעלי מוליכות חום בציר z  גבוהה יותר, לצורכי יישומים בהם נתיב הרחקת החום חייב לעבור דרך עובי החומר הדיאלקטרי בעצמו. מספר מחקרים חדשים דיגמו יישומים שונים בהם מוליכות החום של החומר הדיאלקטרי מעוררת עניין [1-3].
דוגמה אחת של יישום כזה היא מעגל להספק גבוה בו חימום עיקבת ה-RF עשוי להיות משמעותי [4]. במקרה זה, בנוסף למוליכות החום הגבוהה, רצוי להשיג הפסדי מוליכים ודיאלקטרי נמוכים ביותר כדי למזער את הספק הפיזור.
דוגמה אחרת כוללת ראש-רדיו מופעל מרחוק [5] ויישומים דומים בהם המשקל והגודל הם קריטיים. התקני FET בעלי הספק נמוך יותר שעשויים לא להזדקק למטבע תרמי עשויים ליהנות ממצעים דיאלקטריים בעלי מוליכות חום גבוהה יותר, כמו גם מהתקנים דיגיטליים מהירים אחדים.
במקרים אחדים, פיזור החום דרך שכבה דיאלקטרית משופר על-ידי שימוש ב-vias תרמיים מרובים, הידועים גם כ-”חוות via”. אם כי ברור שדבר זה לא יוכל לשמש לבקרת חימום עקיבת ה-RF, ניתן להלחים התקנים רבים לרפידה מחוברת ל-vias התרמיים כדי להגדיל בהרבה את פיזור החום דרך השכבה.
במאמר הנוכחי, נציג את ההקטנה המשמעותית בעליית הטמפרטורה של נגד המורכב על משטח כאשר משתמשים בחומרי שכבה דיאלקטריים בעלי מוליכות חום גבוהה. למרבה ההפתעה, חומרים דיאלקטריים בעלי מוליכות חום גבוהה יותר מקטינים משמעותית את עליית הטמפרטורה אפילו במקרה של התקנת הנגד בחוות via. התופעות מוכחות הן עבור חומר בעל Dk=3.5 והן עבור Dk=6.15, שימושיים לשם צמצום הממדים במעגלים בעלי גיאומטריה התלויה באורך הגל.
שיקולי חומרים
Zweben [6] דן במגוון רחב של חומרים בעלי מוליכות חום גבוהה ביותר המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה. יהלום CVD ו-HOPG (highly oriented planer graphite) הם בעלי מוליכות חום בתחום של 1100-1800 W/m-K, אם כי התכונות יכולות להיות מאוד אנאיזוטרופיות. חומרים מוליכי חשמל כגון אלומיניום, נחושת, זהב וכסף הם בעלי ערכי מוליכות חום מ-200 עד W/m-K 430.
שרפי PTFE (polytetrafluoroethylene) ו-butadiene thermoset משמשים תדיר כמאגדים אורגניים בשכבות מעגלים פולימריות מורכבות המיועדות ליישומים בתדר גבוה. בניגוד למוליכים תרמיים, חומרים פולימריים אלה מציגים מוליכות חום נמוכה מאוד של כ-0.2W/m-K. כדי להשיג התאמה טובה של המקדם המישורי של התפשטות תרמית של רדיד הנחושת, הכורכנים (binders) הפולימריים משולבים עם סיבי E-glass שזורים או לא-שזורים, או ממולאים באבקות קראמיות.
סיבי ה-E-glass אינם מעלים משמעותית את מוליכות החום בציר ה-z של מצע מעגל הפולימר המורכב, חלקית בגלל שמוליכות החום של ה-E-glass נמוכה יחסית (בערך 1 W/m-K) אלא בעיקר בגלל שהחומר מכוון “במישור”. חומרים מתוגברים בסיבי E-glass מראים לעתים קרובות מוליכויות חום של כ-0.25 W/m-K.
מצעי מעגלים מורכבים פולימריים ממולאים לעתים כדי לבקר הן את מקדם המישורי של ההתפשטות התרמית והן את הקבוע הדיאלקטרי. חומרים בעלי קבוע דיאלקטרי נמוך (Dk<3.7) ממולאים לעתים קרובות ב-fused amorphous silica, המקנה CTE נמוך, הפסד דיאלקטרי נמוך ויציבות קבוע הדיאלקטרי מצוינת. בעוד שמוליכות החום של fused silica היא רק ב-30% גבוהה יותר מאשר E-glass,

המוליכות התרמית בציר z של מצעי המעגל המורכב נעה בין 0.5 ל-0.7, בשל הפילוג האיסוטרופי של האבקה בהשוואה לסיבי ה-E-glass.
מצעי מעגלי פולימרים מורכבים בעלי “קבוע דיאלקטרי גבוה” אחרים (6<Dk<10) ממולאים לעתים באבקת דו-תחמוצת הטיטניום. לדו-תחמוצת הטיטניום מוליכות חום של 11.7 W/m-K, כך ששכבות בעלות קבוע דיאלקטרי גבוה אלה מציגות מוליכויות חום של 0.6 עד 1 W/m-K.

חומרי מילוי המועמדים לדיאלקטרי בתדר גבוה בעל מוליכות חום גבוהה יותר
מאחר שחומרים פולימריים בעלי מוליכות חום גבוהה והפסד דיאלקטרי נמוך לא קיימים, דרושים מילויים בעלי מוליכות חום גבוהה יותר כדי להרכיב חומרים בעלי דיאלקטרי מורכב ובעלי מוליכות חום גבוהה יותר.
Alumina היא תחמוצת מתכתית בעלת הפסד דיאלקטרי נמוך בתדרים גבוהים וערך מוליכות חום יחסית גבוה של כ-30 W/m-K. היא משמשת כמצע מעגלים קראמי בעל הפסדים נמוכים, כמו גם כרכיבים קראמיים מעובדים עבור יישומים דיאלקטריים. כמתואר על-ידי Bujard et al. [7], לאלומינה שימוש גם כתוסף למצעי מעגלים פולימריים מורכבים כדי להגדיל את מוליכות החום. אם כי היא נמצאת בשימוש מסחרי שוטף במצעי מעגלים מורכבים, האלומינה היא מאוד קשיחה ויכולה להגדיל משמעותית את שחיקת המקדחים. היא גם מציגה קבוע דיאלקטרי יחסית גבוה של כ-9.8, דבר המגביל את השימוש שלה במצעים בעלי קבוע דיאלקטרי נמוך.
ניטריד האלומיניום (AlN) הוא חומר דיאלקטרי בעל מוליכות חום גבוהה המשמש תדיר כמצע מעגלים בתדר גבוה. מוליכות החום של מצע AlN נעה בין 170 עד 200 W/m-K [8]. AlN מציג קבוע דיאלקטרי של כ-8.9 , אך הוא משמעותית פחות קשיח מאשר אלומינה. מספר מחברים [9-11] חקרו את השימוש ב-AlN כתוסף מוליך חום לחומר פולימרי מורכב עבור יישומי אלקטרוניקה.
בעוד הוא מציג מוליכות חום של כ-30 W/m-K [12], ניטריד הבורון (BN) מציע שלל תכונות עבור יישומי אלקטרוניקה בתדר גבוה, הן בצורה קראמית והן כתוסף מוליך חום לפולימרים מורכבים. הוא מציג קבוע דיאלקטרי של כ-4.1, הפסד דיאלקטרי נמוך ומקדם טמפרטורה נמוך של הקבוע הדיאלקטרי. הוא גם נוח לעיבוד מכני כצורה מעובדת ולא קשיחה כאשר הוא משמש כתוסף מוליך חום לפולימרים מורכבים.

חומרים מרובדים (laminate)
המחקרים השוטפים נערכו בחומרים דיאלקטריים בעלי עובי של 0.020”. ארבעה חומרים מרובדים לתדר גבוה בעלי קבוע דיאלקטרי של 3.5 נכללו במחקר: חומר מרובד מורכב PTFE עשוי זכוכית ארוגה, WG-PTFE (ממולא בכמות קטנה של דו-תחמוצת הטיטניום כדי להעלות את הקבוע הדיאלקטרי שלו); ריבוד RO3035™ של Rogers, חומר מורכב ממולא-סיליקה, חומר מורכב PTFE עשוי זכוכית ללא-אריג; ריבוד RO4350B™ של Rogers, חומר פחמימן עשוי אריג שרף-זכוכית ; והריבוד העומד לפני השקה RT/duroid® 6035 HTC של Rogers. האחרון דומה בתכונות הדיאלקטריות לריבוד RO3035 אך משתמש במערכת מילוי מעורבת קניינית הכוללת BN כדי להגדיל את מוליכות החום מבלי להגדיל את שחיקת הקידוח.

נכללו גם שלושה מוצרים מורכבים לתדר גבוה המיועדים להציג מקדם דיאלקטרי של 6.15: הריבוד RO3006™ של Rogers, חומר מורכב PTFE עשוי דו-תחמוצת טיטניום-סיליקה; RO4360B™ של Rogers, מוצר מורכב בעל קבוע דיאלקטרי גבוה עשוי זכוכית ארוגת-פחם מסחרי; והריבוד העומד לפני השקה RO3006 HTC. ריבוד ה-RO3006 HTC דומה בתכונות הדיאלקטריות לריבוד RO3006, אך כולל תוסף BN כדי להגדיל את מוליכות החום.
מוליכות החום של כל חומר נמדדה כעזרת מד-ספיקה guarded heat Unitherm 2021 המתואר בשיטות הבדיקה ASTM E1530 ו- C-518. התוצאות רשומות בטבלה 1, ביחד עם התכונות הדיאלקטריות שנמדדו בבדיקה עם stripline בתחוםIPC-TM-650 2.5.5c-X X  ב-10 גיגה-הרץ עבור כל חומר.
ההספק פוזר בנגד 20 ואט, 100 אוהם, 0.245”x0.245” של American Technical Ceramics (ATC). חומר ההתנגדות שוּקע על מצע ניטריד האלומיניום שניתן להלחים על הכרטיס כדי להשיג מגע חום טוב.
מעגלי מיקרוסטריפ המורכבים מקווי הזנה 0.065” עם כרית ברוחב 0.245”  לשם הלחמה לנגד נצרבו על רדיד נחושת של 1/2 oz. על המצעים הדיאלקטריים המורכבים  בעובי 0.020”. עבור בדיקות “חוות ה-via”,  שמונה vias תרמיים בקוטר 0.030” קודחו בתוך הכרית וצופו ב-1mil של נחושת. התבניות עבור “חוות ה-vias” (למעלה) ותבניות תקניות (למטה) מוצגים באיור 1.

שיטת הניסוי
טמפרטורות המשטחים נמדדו בעזרת מצלמת FLIR S65 IR, בעלת תחום טמפרטורות בין  -400C עד +15000C ורגישות של 0.050C.
הדגימות הוצמדו ללוח אלומיניום בעובי 0.125” בעזרת COOLSPAN™ 8322 של Rogers, דבק מוליך חשמל וחום (ETCA) אשר יושק בקרוב. נגדי ה-ATC המורכבים על המשטח הולחמו למוליכים ולכרית בכל אחד מהדגימות. לוח האלומיניום והמעגלים הקשורים אליו סומררו למפזר חום עשוי אלומיניום ומקורר מים (איור 2). המעגלים הקשורים נצבעו בצבע שחור שטוח העומד בטמפרטורות גבוהות. נקבע ערך כושר פליטה של 0.95 עבור המעגלים הצבועים, על-ידי שמירת המערך בטמפרטורה ידועה ורישום התמונה התרמית.
המעגל חובר לספק כוח ורמת ההספק נוטרה על-ידי מדידת המתח והזרם. ההספק כווון לרמה מסוימת, ועליית הטמפרטורה נוטרה עד שהיא הגיעה למצב יציב. התמונה התרמית וטמפרטורת המשטח המרבית נרשמו בשלב זה. טמפרטורת גוף הקירור נשמרה בעזרת זרימת מים הין 25.0 ו- C26.70. טמפרטורת גוף הקירור נרשמה גם עם כל מדידה של טמפרטורת המשטח. רמת ההספק הועלתה בהמשך עד לרמה הנבחרת הבאה, התהליך חזר על עצמו. רמת ההספק הועלתה עד למידרוג המרבי של הנגד של 20 ואט או עד שעליית הטמפרטורה הייתה 1200C בקירוב.
התמונות התרמיות של חומר ה-WG-PTFE וה-RT/duroid 6035 HTC ברמת הספק במצב יציב של 4 ואט מוצגת באיור 3. עליית הטמפרטורה (טמפרטורת משטח הנגד – טמפרטורת גוף הקירור) על מצע ה-WG-PTFE היא 83.60C, בעוד זו של הריבודים RT/duroid 6035 HTC היא 35.90C
ברור שהעלאת מוליכות החום של החומר הדיאלקטרי משפיעה מאוד על עליית הטמפרטורה של ההתקן.
מאלף לרשום את הנתונים עבור כל חומר בתור זרימת החום Q כנגד עליית הטמפרטורה (איורים 4, 5). עליית הטמפרטורה הפוחתת עם עליית מוליכות החום של החומר הדיאלקטרי מוצגת בבירור. אפילו ברמות הספק מתונות, ההבדל בעליית הטמפרטורה עשוי להיות משמעותי. לדוגמה, עבור 1 ואט של הספק מפוזר בנגד המורכב על המשטח (או בערך 2.58 watts/cm2), עליית הטמפרטורה בריבוד ה-RT/duroid 6035 HTC היא רק 7.40C, בהשוואה לעלייה של 19.40C בחומר WG-PTFE.
גרפים דומים של Q כנגד עליית הטמפרטורה עבור דגימות הניסוי עם חוות via  מראים שה-vias התרמיים שולטים בביצועים ומפחיתים משמעותית את עליית הטמפרטורה ברמת הספק קבועה (איור 6  ו-7). טבלה 2 מראה את עליית הטמפרטורה עבור 10 ואט של הספק מפוזר (25.8 W/cm2)  עבור החומרים הנבדקים עם וללא חוות via.
בשעה שברור שה-vias התרמיים שולטים בעליית הטמפרטורה, יש לציין שהחומר בעל מוליכות החום הגבוהה יותר עדיין מציג עליית טמפרטורה מדודה נמוכה יותר. לדוגמה, עם חוות ה-via, עליית הטמפרטורה של מצע RT/duroid 6035 HTC ב-10 ואט היא 34.60C, בהשוואה ל-40.30C עבור מצע ה-WG-PTFE. במקרים קריטיים מסוימים, הפרש של 50C בעליית הטמפרטורה עשוי להיות משמעותי.

סיכום
חומרי מעגלים דיאלקטריים מפולימרים מורכבים הם בהכרח נמוכים במוליכות החום בהשוואה למוליכים ומצעים קראמיים. אולם, העלאת מוליכות החום של חומרים אלה יכולה להפחית משמעותית את עליית הטמפרטורה של רכיבים המפזרים חום כאשר יש להרחיק את החום דרך החומר הדיאלקטרי בעצמו.
השימוש ב-vias תרמיים מפחית משמעותית את עליית הטמפרטורה במצבי תכנון כאשר השימוש בהם אפשרי אף עבור מרובדים בעלי מוליכות חום נמוכה. אולם, חומרים בעלי מוליכות חום גבוהה יותר מהווים שיפור גדול עוד יותר.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת
מל-סיוואן, מקבוצת ניסקו.