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12-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Temperaturmessung

Design Temperaturmessung der Widerstandsschicht Bis hierher wurden alle vorgestellten Daten von „Finite-Element“-Software und einfachen thermischen Modellen gewonnen. Um diesen Ansatz zu validieren, werden die Temperaturen des Widerstandsfilms am PDW05758 gemessen, wenn HF Leistung an den Ausgangsanschlüssen im Odd-Mode anliegt. Die Widerstandsfilmtemperatur wird mit einer IR-Kamera als Funktion der angelegten HF-Leistung und der Frequenz gemessen. In den Diagrammen der Bilder 6, 7 und 8 ist der gemessene Temperaturanstieg der einzelnen Widerstände mit den berechneten Werten verglichen, und man erkennt eine ausgezeichnete Korrelation zwischen den gemessenen und vorhergesagten Temperaturen des Widerstandsfilms. Das bestätigt, dass man durch den Einsatz eines „Finite- Element“-Simulationswerkzeugs, zusammen mit einem vereinfachten Wärmemodell, genaue Prognosen der Filmtemperaturen in Abhängigkeit der eingebrachten HF-Leistung erhalten kann. Eine Möglichkeit, die Daten aus Bild 6, 7 und 8 zu verwenden, wäre, die maximale Leistungsverträglichkeit des Bauteils bei einer gegebenen maximalen Grundplattentemperatur und maximal zulässigen Filmtemperatur zu bestimmen. Der Temperaturanstieg von R 2 bei 18 GHz ist im schlechtesten Fall beispielsweise mehr als 70 °C/W. In Bild 9 wird die maximal zulässige Leistung als Funktion der Basistemperatur für maximal zulässige Filmtemperaturen aufgetragen. Als Referenz dient eine Markierungslinie bei der Grundplattentemperatur von 85 °C, einer typischen maximalen Betriebstemperatur bei kommerziellen und militärischen Systemen. Die bei 85 °C eingesetzten Leistungen sind 0 W, 0.22 W, 0.57 W und 0.93 W für maximal zulässigen Filmtemperaturen von jeweils 85 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C. Auswirkungen der Widerstands erwärmung Im Allgemeinen sind zwei Bedenken mit der Erwärmung von Dünnfilmwiderständen verbunden: • die Widerstandsalterung • die Erwärmung der Befestigung des Bauteils auf der gedruckten Leiterplatte. Das Erstere ist in der Regel durch eine langfristige Dauerbehandlung bedingt, während das Letztere das Problem kurzfristiger Erhitzung ist, was zu Ausfällen führen kann. Widerstandsalterung ist ein Phänomen, das Tantal-Nitrid-Dünnschichtwiderstände veranlasst, weiterhin zu oxidieren, wenn sie bei erhöhten Temperaturen betrieben werden. In Abhängigkeit von der Filmtemperatur und der Dauer der Belastung wird der Widerstandwert mit einer unterschiedlichen logarithmischen Rate ansteigen. In der Regel muss die Filmtemperatur deutlich höher als 85 °C sein, um nennenswerte Widerstandsanstiege in vertretbaren Zeiträumen zu sehen. Zum Beispiel zeigen Alterungsversuche von Widerständen, die von DLI hergestellt werden, eine Widerstands-zunahme von etwa 1,2 % in 250.000 Stunden (28,5 Jahre) bei 85 °C. Wenn die Filmtemperatur von 85 °C auf 100 °C erhöht wird, prognostiziert Bild 5: Wärmebild mit 1 Watt zugeführter Leistung im Odd-Mode bei 12 GHz Man sieht, dass der Temperaturanstieg eines jeden Widerstands unterschiedlich ist. Die Widerstände R 2 und R 3 sind viel heißer als der Widerstand R 1 . Zusätzlich ist zu erkennen, wie sich die Wärme seitlich zwischen den Widerständen ausbreitet, mit einer gewissen Überlappung insbesondere zwischen den Widerständen R 2 und R 3 . Wie bereits erwähnt, kann man durch Benutzen der Ergebnisse (3) und Bild 4 den Temperaturanstieg jedes Widerstands normalisiert auf die Gesamtleistung vorhersagen. Bild 6: R1 Temperaturanstieg pro Watt 40 hf-praxis 12/2015

Design Bild 7: R2 Temperaturanstieg pro Watt Bild 8: R3 Temperaturanstieg pro Watt Bild 9: Maximale Verlustleistung vs. Basistemperatur vs. maximale Filmtemperatur bei 18 GHz Bild 10: Simulierter Effekt einer Widerstandsalterung man einen Anstieg um 2,5% im selben Zeitraum. Erhöht man die Temperatur weiter auf 125°C, wird die Widerstandserhöhung 7,3% betragen. Reduziert man die Zeitdauer der Belastung, verringert sich auch die Widerstandserhöhung. Im Fall des Wilkinson-Teilers besorgt nicht so sehr die Änderung der Widerstandswerte an sich, sondern die mögliche Änderung der S-Parameter aufgrund der Widerstandserhöhung. Bild 10 zeigt die simulierten S-Parameter des Wilkinson-Teilers mit nominalem Widerstandswert, mit einer Steigerung von 1,2%, einer Steigerung von 2,5% und von 7,3%. Diese Werte sind aus dem oben diskutierten Beispiel entnommen. Die Abbildung zeigt, dass die Änderung der S-Parameter aufgrund der Widerstandsalterung minimal ist, auch für eine Widerstandserhöhung von 7,3%. Die Temperatur der Klebung oder Lötung zwischen dem Teiler und der gedruckten Leiterplatte kann auch die maximale Leistung des Teilers bestimmen. In den meisten Anwendungen wird eine Klebung mit Epoxyleitkleber oder Lot verwendet. Beim Kleber ist darauf zu achten, dass die vom Epoxy-Anbieter angegebenen Maximaldauerbetriebstemperaturen eingehalten werden. In den meisten Fällen liegen die maximalen Temperaturen der verwendeten Bondschichten zwischen 180 °C und 250 °C. Typische Industriepraxis ist es, diese Temperatur auf 125 °C im Dauerbetrieb zu begrenzen. Schlussfolgerung Es wurde gezeigt, dass die korrekte Anwendung eines Tools für elektromagnetische „Finite-Element“-Simulation, in Kombination mit einem vereinfachten Wärmeflussmodell, ausreicht, um eine hinreichend genaue Vorhersage hinsichtlich der Filmtemperaturen zu treffen. Diese rechnerischen Aussagen lassen sich gut mittels thermischer IR-Messungen der Widerstandstemperaturen validieren. Die Gesamtleistung, die tatsächlich in einem Wilkinson-Teiler im Normalbetrieb bei einer klassischen Anwendung abgeführt wird, ist wahrscheinlich erheblich geringer als die oben diskutierten Pegel. Die tatsächliche Verlustleistung ist abhängig von Betrag und Phasenlage der an den Toren des Teilers angeschlossenen Quellen und den Reflektionskoeffizienten. Es ist es jedoch üblich, die ungeraden Moden zu analysieren, da dies den absolut belastetsten Betriebsfall darstellt, auch wenn er praktisch unwahrscheinlich ist. Weitere Einzelheiten für den Einsatz der Wilkinson-Teiler und die Leistungsbilanz in anderen Betriebs-Moden sind von DLI für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen erhältlich. Neben dem PDW05758 bietet DLI / Knowles mehrere andere, standardmäßig geführte Wilkinson-Leistungsteiler für verschiedene Frequenzbereiche an, die sowohl für SMD- Montage vorgesehen sind, als auch mittels Bondtechniken verarbeitbar sind. Darüber hinaus begrüßt DLI die Möglichkeit, benutzerdefinierte Anforderungen für kundenspezifische Leistungsteiler auf Durchführbarkeit zu evaluieren. Innerhalb Knowles Corporation, ist DLI der Hersteller von Multilayer-und Singlelayer-Kondensatoren. Im Mittelpunkt stehen ganz speziell High-Q Hochfrequenzanwendungen. Übersetzung: Harald Müller ■ municom GmbH www.municom.de hf-praxis 12/2015 41

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