CN113395826A - Pcb板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构 - Google Patents

Pcb板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，包括粘合在一起的双面覆铜板、单面覆铜板，双面覆铜板包括从上到下依次设置的上覆铜层、中间介质层、下覆铜层，上覆铜层设有上表面电路，上表面电路用于形成安装中心导体模组的主安装位和匹配电路的副安装位，主安装位设有第一导热通道，副安装位设有第二导热通道，且根据中间介质层厚度不同，选用不同的方法加工第一导热通道，下覆铜层加厚，本发明提高了器件的通过功率耐受情况，使得器件能够耐受125℃环境下5W‑15W的连续波通过功率；且实现低频大功率下PCB板集总参数非互易磁性器件的高温高功率下损耗的增长较小，在0.5dB‑1.5dB之间。

Description

PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构
技术领域
本发明涉及一种微波元器件的基板结构，尤其涉及一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构。
背景技术
当前通讯领域发展已拓展至600MHz-803MHz低频领域，低频通讯由于传播距离远穿透能力强受到各国通讯运营商的青睐，通讯设备对系统中的集总参数非互易磁性器件的功率耐受和小型化提出了更高的要求。
目前，传统的PCB板集总参数非互易磁性器件的电路基板结构由双面覆铜板、单面覆铜板构成，其中双面覆铜板由上表面电路、中间介质层和下表面电路组成；单面覆铜板由引脚介质层和引脚覆铜层构成，并在引脚覆铜层上制作引脚下表面电路；基板由双面覆铜板和单面覆铜板通过环氧树脂粘接而成。（1）上表面电路由传输电路和接地电路组成，上表面电路中间有一圆形电路接地区域，为集总参数非互易磁性器件中心导体模组安装位置，该位置为器件热源集中位置；（2）中间介质层为热源传输通道、绝缘层、信号传输通道、接地传输通道；（3）下表面电路为接地层和信号传输层；（4）引脚介质层为信号传输通道和接地传输通道；（5）引脚下表面电路为传输电路和接地电路组成。该电路基板结构实现集总参数非互易磁性器件的电路LC匹配焊接载体以及电路传输功能。
但传统的PCB板集总参数非互易磁性器件的电路基板结构主要有以下缺陷：
（1）集总参数非互易磁性器件在使用传统电路基板时，常温高功率的状态下器件存在功率下损耗和小信号测试损耗对比异常增大的现象；
（2）集总参数非互易磁性器件在使用传统电路基板时，高温125℃连续波10W的状态下，器件内部铁氧体所发热量无法顺利导出，器件的性能恶化损耗异常增大3-4dB；
（3）传统电路基板由于底层铜厚较薄在产品测试时易变形；
（4）传统电路基板结构基本只能够做到常温环境中5W的器件通过功率；
（5）传统电路基板结构的器件在高温125℃连续波通过10W通过功率时存在电路板介质烧糊的情况。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决当前PCB板集总参数非互易磁性器件功率散热问题，改变了散热路径、提高了散热效率、提高了该类集总参数非互易磁性器件的通过功率、解决了集总参数非互易器件的功率下损耗异常增大问题的，一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，包括从上到下依次设置的双面覆铜板和单面覆铜板，二者通过采用高导热环氧树脂粘合，所述双面覆铜板包括从上到下依次设置的上覆铜层、中间介质层、下覆铜层，上覆铜层设有上表面电路，下覆铜层上设有下表面电路；
所述上表面电路用于形成安装中心导体模组的主安装位和匹配电路的副安装位、以及中心导体模组电路和匹配电路的接地通道，所述主安装位位于上覆铜层中心且为圆形，所述副安装位分布在主安装周围，用于安装匹配电路中的电路元件，并使各电路元件分散分布；
所述中间介质层采用FR-4材料或高频碳氢材料制成，厚度为0.1mm-0.254mm；中间介质层对应主安装位处设有数个第一导热通道，对应副安装位处设有数个第二导热通道，且第一导热通道、第二导热通道均贯穿上覆铜层和中间介质层；
所述第一导热通道为贯穿上覆铜层和中间介质层的通孔，且通孔内采用铜或银满填，所述第二导热通道为贯穿中间介质层和上覆铜层的金属化通孔；
所述下覆铜层下表面还设有电镀铜层，下覆铜层和电镀铜层整体形成厚铜层，所述下表面电路设置在厚铜层上。
作为优选：所述双面覆铜板上表面还设有阻焊油墨层。
作为优选：所述厚铜层的厚度为60-80微米。
作为优选：所述FR-4材料的TG值为180℃-210℃，所述高频碳氢材料的热膨胀系数为30℃-260℃范围内小于45ppm/℃、频率为DC-10GHz。其中，TG值为180℃-210℃的FR-4材料为高TG值材料。
作为优选：所述单面覆铜板包括从上到下依次的引脚介质层和引脚覆铜层，所述引脚介质层材质与中间介质层相同，厚度为0.1mm-0.168mm。其中，30-260℃范围小于45ppm/℃为低热膨胀系数，DC-10GHz为高频。
作为优选：所述第一导热通道的加工方法为：
当中间介质层厚度为0.1mm-0.127mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层和中间介质层，并采用电镀填孔的方式对通孔进行填充，形成第一导热通道；
当中间介质层厚度为0.127mm-0.254mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层和中间介质层，先用铜浆或银浆灌孔，再对通孔进行电镀处理，形成第一导热通道。
关于中心体模组：是指PCB板集总参数非互易磁性器件中，被中心导体包裹在一起的各部件，包括中心导体、铁氧体基片、PI绝缘膜。这些部件编制构成了中心导体模组，安装在PCB板集总参数非互易磁性器件中，而在PCB板集总参数非互易磁性器件的输入端、输出端、隔离端，还需要设置匹配电路对中心导体模组进行阻抗匹配。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）改进了上表面电路的分布方式，能使匹配电路的各电路元件分散分布，加大了中心导体模组的安装位置尺寸由φ2.1mm增至了φ2.3mm，增大了散热面积；对中心导体模组的安装的圆形电路进行了高导热布局设计，采用了φ0.15-0.2mm的导热孔设计，该大小直径的孔利于加工和电镀填孔或者塞孔处理。
（2）对中间介质层进行了改进选用了厚度为0.1mm-0.254mm的介质，该范围内的中间介质层利于散热设计和导热通道的加工。其次，中心导体模组的安装位实际为器件热源集中位置，所以在安装位上设置导热通道用于针对性的散热，导热通道根据中间介质层的厚度不同，制作和加工的方法不同，最终形成高导热的导热通道。
（3）双面覆铜板的下表面电路对应的下覆铜层进行了厚铜层设计，厚度为60-80μm，增强了中间介质层下表面电路铜的厚度，增强了器件的基板强度，测试时不易变形，且具有高热沉的作用。
综上，本发明相对于传统的电路基板结构，提高了器件的通过功率耐受情况，使得器件能够耐受125℃环境下5W-15W的连续波通过功率；且实现低频大功率下PCB板集总参数非互易磁性器件的高温高功率下损耗的增长较小，在0.5dB-1.5dB之间。
附图说明
图1为传统PCB板集总参数非互易磁性器件用电路基板的俯视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为传统PCB板集总参数非互易磁性器件用电路基板中双面覆铜板的后视图；
图4是图1中电路基板匹配的阻焊油墨层；
图5为传统PCB板集总参数非互易磁性器件用电路基板中单面覆铜板的后视图；
图6为本发明分层结构斜视图；
图7为图6中阻焊油墨层的俯视图；
图8为本发明中双面覆铜板的俯视图；
图9为图8的B-B剖视图；
图10为本发明双面覆铜板的后视图；
图11为应用本发明的758-803MHz集总参数隔离器的结构爆炸图；
图12为应用本发明的758-803MHz集总参数隔离器端口驻波电性能仿真结果；
图13为应用本发明的758-803MHz集总参数隔离器的隔离性能仿真结果；
图14为应用本发明的758-803MHz集总参数隔离器损耗仿真结果。
图中：1、输入端电路；2、输出端电路；3、隔离端电路；4、铁氧体安装位；5、上覆铜层；6、中间介质层；7、下覆铜层；8、中心导体模组；9、锶恒磁；10、阻焊油墨层；11、引脚介质层；12、引脚覆铜层；13、第一导热通道；14、第二导热通道；15、高导热粘接层；16、主安装位；17、副安装位；18、上金属外壳；19、下金属外壳。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：见图1-图5，为传统的传统PCB板集总参数非互易磁性器件用电路基板结构。
传统的电路基板结构也包括从上到下依次设置的双面覆铜板和单面覆铜板，二者通过高导热环氧树脂粘合成一个整体。
双面覆铜板从上到下依次为阻焊油墨层10、上覆铜层5、中间介质层6、下覆铜层7。单面覆铜板从上到下依次为引脚介质层11、引脚覆铜层12。
上覆铜层5：参见图1，用于设置上表面电路，所述上表面电路用于构成电路元件安装位置和电路元件的接地通道；安装位置主要用于安装中心导体模组8、以及匹配电路的电容电阻，在图1中可以看出，上表面电路包括输入端电路1、输出端电路2、隔离端电路3、以及铁氧体安装位4，输入端电路1、输出端电路2、隔离端电路3均设有金属化通孔，用于信号的传输。
中间介质层6一般为实心结构，参见图2。
下覆铜层7：用于设置下表面电路，下表面电路主要用于形成输入输出传输电路和接地面电路，参见图3。
阻焊油墨层10：用于对上覆铜层5的非元件安装区域进行阻焊隔绝，参见图4，图4中，斜线区域为焊接区域，其余白色区域为阻焊油墨覆盖的区域。其阻焊油墨覆盖的区域根据实际的上表面电路不同略有变化。
从该结构中可以看出以下问题：
（1）中心导体模组8的安装位置实际为器件热源的集中位置，但是不论是上覆铜层5、还是中间介质层6的对应区域，均无合理的散热设计。
（2）上表面电路中，电路元件安装位置靠近中心导体模组8的安装位置，且分布不合理，较为密集，不利于散热。
（3）采用普通双面覆铜板，铜层厚度不够，导致基板强度不够，容易变形，且不具有高热沉的作用。
实施例2：参见图6-图10，一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，包括从上到下依次设置的双面覆铜板和单面覆铜板，二者通过采用高导热环氧树脂粘合，所述双面覆铜板包括从上到下依次设置的上覆铜层5、中间介质层6、下覆铜层7，上覆铜层5设有上表面电路，下覆铜层7上设有下表面电路；
所述上表面电路用于形成安装中心导体模组8的主安装位16和匹配电路的副安装位17、以及中心导体模组8电路和匹配电路的接地通道，所述主安装位16位于上覆铜层5中心且为圆形，所述副安装位17分布在主安装周围，用于安装匹配电路中的电路元件，并使各电路元件分散分布；
所述中间介质层6采用FR-4材料或高频碳氢材料制成，厚度为0.1mm-0.254mm；中间介质层6对应主安装位16处设有数个第一导热通道13，对应副安装位17处设有数个第二导热通道14，且第一导热通道13、第二导热通道14均贯穿上覆铜层5和中间介质层6；
所述第一导热通道13为贯穿上覆铜层5和中间介质层6的通孔，且通孔内采用铜或银满填，所述第二导热通道14为贯穿中间介质层6和上覆铜层5的金属化通孔；
所述下覆铜层7下表面还设有电镀铜层，下覆铜层7和电镀铜层整体形成厚铜层，所述下表面电路设置在厚铜层上。
所述双面覆铜板上表面还设有阻焊油墨层10。
所述厚铜层的厚度为60-80微米。
所述FR-4材料的TG值为180℃-210℃，所述高频碳氢材料的热膨胀系数为30℃-260℃范围内小于45ppm/℃、频率为DC-10GHz。
所述单面覆铜板包括从上到下依次的引脚介质层11和引脚覆铜层12，引脚介质层11材质与中间介质层6相同，厚度为0.1mm-0.168mm。
所述第一导热通道13的加工方法为：
当中间介质层6厚度为0.1mm-0.127mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层5和中间介质层6，并采用电镀填孔的方式对通孔进行填充，形成第一导热通道13；
当中间介质层6厚度为0.127mm-0.254mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层5和中间介质层6，先用铜浆或银浆灌孔，再对通孔进行电镀处理，形成第一导热通道13。
从图6中，可以看出本发明的构成，其多层结构从上到下依次为阻焊油墨层10、上覆铜层5、中间介质层6、下覆铜层7、高导热粘接层15、引脚介质层11、引脚覆铜层12。其中第一层到第四层为双面覆铜板的结构，第五层由粘胶构成，第六层到第七层为单面覆铜板的结构，具体的：
第一层为阻焊油墨层10，参见图7，斜线区域为焊接区域，其余白色区域为阻焊油墨覆盖的区域。其阻焊油墨覆盖的区域根据实际的上表面电路不同略有变化。
第二层为上覆铜层5，参见图8，上表面电路设置在该层，目的是形成安装中心导体模组8的主安装位16和匹配电路的副安装位17，以及中心导体模组8电路和匹配电路的接地通道，可根据实际需要进行设计，图8给出一种具体的设计方式，主安装位16位于中心为圆形，用于安装中心导体模组8电路，副安装位17包括几个部分，分别为：
主安装位16左上角非规则电路块为本发明产品的信号输入端，该区域的白色小圆为金属化通孔，用于信号输入，在该区域，设置有输入端连接中心导体模组8的传输线焊接区域和输入端匹配电容焊接区域，图中C1为输入端匹配电容；
主安装位16右上角非规则电路块为本发明产品的信号输出端，该区域的白色小圆为金属化通孔，用于信号输出，在该区域，设置有输出端连接中心导体模组8的传输线焊接区域和输出端匹配电容焊接区域，图中C2为输出端匹配电容；
信号输入端和信号输出端中间的长条形区域，为输入输出电路元件共用的地安装位置，其上圆形的孔则为第二导热通道14；
主安装位16左侧长方形区域为输入端匹配电容C1的接地电路，其上的白色小圆为接地金属化通孔；
主安装位16右侧长方形区域为输出端匹配电容C2的接地电路，其上的白色小圆为接地金属化通孔；
主安装位16下方带弧形的电路块，为中心导体模组8隔离端的传输线焊接区域和隔离端匹配电容和电阻焊接区域，图中C3为隔离端匹配电容，R为隔离端匹配电阻；
主安装位16最下方区域，为隔离端匹配电容C3的接地电路和电阻接地电路，其上的白色小圆为接地金属化通孔。
图8中，标记的C1、C2、C3、R均指电容电阻的安装位置，从图8可以看出，输入端匹配电容、输出端匹配电容、隔离端匹配电容均分散分布，且单独设置了电容的接地电路，也分散分布。这种分布方式增大了主安装位16的空间，有利于中心导体模组8散热。
另外，从图8中可以看到第一导热通道13和第二导热通道14的设置，第一导热通道13位于中心导体模组8区域，高密度的集中在主安装位16，更有针对性的散热，且第一导热通道13根据中间介质层6的厚度不同，制作和加工的方法不同，最终形成高导热的导热通道。保证了中心导体模组8的有效散热。第二导热通道14分布在副安装位17处，用于匹配电路的散热。
第三层为中间介质层6，图9中可以看到，主要是分布有贯穿上覆铜层5和中间介质层6的第一导热通道13和第二导热通道14。另外，根据中间介质层6不同，选择不同的第一导热通道13加工工艺。
第四层为下覆铜层7，下表面电路设置在该层，传统的下覆铜层7就是单层铜膜，厚度、强度均不够，本发明增设电镀铜层，增加了下覆铜层7的厚度，增强了本发明产品的强度。下表面电路为输入输出传输电路和接地面电路。
第五层为高导热粘接层15，由于双面覆铜板和单面覆铜板通过采用高导热环氧树脂粘合，则当高导热环氧树脂固化，就形成了高导热粘接层15。
第六层为引脚介质层11，采用TG值为180-210℃的FR-4或低热膨胀系数的高频碳氢材料， 所述低热膨胀系数是指30-260℃范围小于45ppm/℃，高频指频率范围为DC-10GHz。介质层厚度为0.1mm-0.168mm。
第七层为引脚覆铜层12，引脚下表面电路设置在该层，引脚下表面电路构成接地引脚和信号传输引脚。
本发明产品的制作工艺流程如下：
（1）双面覆铜板的一面覆铜层进行电镀厚铜处理，形成厚铜层，然后在厚铜层，制作下表面电路图形；
（2）在双面覆铜板上，主安装位16处开设通孔，并根据中间介质层6厚度，选择对应的加工方式进行填充，形成第一导热通道13；通孔仅贯穿双面覆铜板的上覆铜层5和中间介质层6；
（3）单面覆铜板和双面覆铜板粘合；
（4）上表面电路金属化过孔钻孔，钻至下表面电路厚铜层处，再盲孔金属化处理；
（5）上覆铜层5处，上表面电路图形制作，引脚电路图形制作；
（6）单面覆铜板开槽处理，主要为开中间的卡槽，用于下金属外壳19装配焊接，开槽至双面覆铜板的下表面电路的厚铜层上；
（7）基板化金处理；
（8）上表面电路涂覆阻焊油墨,形成阻焊油墨层10；
（9）基板分切至所需外形尺寸；
（10）基板通断检测。
实施例3：参见图11-图14；采用本发明的基板机构及加工方法，进行758-803MHz集总参数隔离器制作，该隔离器结构如图11，从上到下依次为上金属外壳18，锶恒磁9，本发明的电路基板结构、下金属外壳19，在电路基板结构上安装有中心导体模块、和电容电阻元件。并对该产品进行电性能仿真，仿真结果见图12、图13、和图14。三个图分别为端口驻波电性能、隔离性能仿真和损耗仿真。仿真结果表明器件在758-803MHz带内驻波S11和S22均在-14dB以下，损耗S21在0.44-0.71dB，隔离在S12在-17dB以下。器件实测数据为端口驻波S11和S22在带内最差为-14dB,损耗S21在0.95-1dB,隔离S12在-10 dB以下，与传统电路基板所制作的器件电性能指标相当。
但本发明主要是解决器件在高温下进行功率测试时损耗异常增大和电路基板不耐受功率的问题。
传统电路基板所制作的器件在常温下通过10W连续波的情况下出现了器件损耗异常增大的情况，和小信号下的损耗相比增大了1-2dB。在125℃的环境下器件通过10W的连续波，器件存在烧糊的情况；器件在常温状态通过10W连续波转入125℃环境中存在损耗跳变的情况，输出功率和输入功率由2-3dB的差值跳变至3-4dB。由于该器件在实际使用环境中为长期125℃下通过连续波10W的功率，传统的PCB板器件的高温高功率下损耗异常增大的情况，无法满足使用要求。
本发明器件能够在125℃下耐受较高的连续波通过功率，满足器件的使用要求，且能够将器件的耐受功率提高。具体结果如下：
在器件的主安装位16设置13个第一导热通道13时，器件常温下通过10W连续波时功率下的损耗较信号下的损耗增加0.5-0.6dB；器件在125℃的环境中通过10W的连续波时功率下的损耗较常温环境下功率下的损耗增加0.3-0.5dB；器件功率下常温环境转入高温环境下无损耗突然跳变情况；器件可以耐受125℃下10W的长时间连续波功率，电路基板无烧糊的现象。
在器件的主安装位16设置25个第一导热通道13时，器件在125℃下能够承受15W的连续波通过功率，其较常温小信号下的损耗增加了1-1.5dB；且电路基板无烧糊情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，包括从上到下依次设置的双面覆铜板和单面覆铜板，二者通过采用高导热环氧树脂粘合，所述双面覆铜板包括从上到下依次设置的上覆铜层、中间介质层、下覆铜层，上覆铜层设有上表面电路，下覆铜层上设有下表面电路，其特征在于：
所述上表面电路用于形成安装中心导体模组的主安装位和匹配电路的副安装位、以及中心导体模组电路和匹配电路的接地通道，所述主安装位位于上覆铜层中心且为圆形，所述副安装位分布在主安装周围，用于安装匹配电路中的电路元件，并使各电路元件分散分布；
所述中间介质层采用FR-4材料或高频碳氢材料制成，厚度为0.1mm-0.254mm；中间介质层对应主安装位处设有数个第一导热通道，对应副安装位处设有数个第二导热通道，且第一导热通道、第二导热通道均贯穿上覆铜层和中间介质层；
所述第一导热通道为贯穿上覆铜层和中间介质层的通孔，且通孔内采用铜或银满填，所述第二导热通道为贯穿中间介质层和上覆铜层的金属化通孔；
所述下覆铜层下表面还设有电镀铜层，下覆铜层和电镀铜层整体形成厚铜层，所述下表面电路设置在厚铜层上。
2.根据权利要求1所述的PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，其特征在于：所述双面覆铜板上表面还设有阻焊油墨层。
3.根据权利要求1所述的PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，其特征在于：所述厚铜层的厚度为60-80微米。
4.根据权利要求1所述的PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，其特征在于：所述FR-4材料的TG值为180℃-210℃，所述高频碳氢材料的热膨胀系数为30℃-260℃范围内小于45ppm/℃、频率为DC-10GHz。
5.根据权利要求1或4所述的PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，其特征在于：所述单面覆铜板包括从上到下依次的引脚介质层和引脚覆铜层，所述引脚介质层材质与中间介质层相同，厚度为0.1mm-0.168mm。
6.根据权利要求1所述的PCB板集总参数非互易磁性器件用高导热电路基板结构，其特征在于：所述第一导热通道的加工方法为：
当中间介质层厚度为0.1mm-0.127mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层和中间介质层，并采用电镀填孔的方式对通孔进行填充，形成第一导热通道；
当中间介质层厚度为0.127mm-0.254mm时，在安装位处开设13-25个φ0.2mm的通孔，所述通孔贯穿上覆铜层和中间介质层，先用铜浆或银浆灌孔，再对通孔进行电镀处理，形成第一导热通道。
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