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im体育网页版:采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算

发布时间:2022-07-03 00:42:45 来源:im体育网站 作者:im体育下载

  )放大器可采用引脚架构芯片级封装(LFCSP)和法兰封装,通过成熟的回流焊工艺安装在印刷电路板(

  材料不同区域之间存在温度差时,热量从高温区流向低温区。这一过程与电流类似,电流经由电路,从高电势区域流向低电势区域。

  所有材料都具有一定的导热性。热导率是衡量材料导热能力的标准。热导率值通常以瓦特每米开尔文(W/mK)或瓦特每英寸开尔文(W/inK)为单位。如果已知材料的热导率,则采用以下公式,以C/W或K/W为单位计算材料单位体积的热阻(θ):

  器件的热阻相当复杂,往往与温度呈非线性关系。因此,我们采用有限元分析方法建立器件的热模型。红外摄影技术可以确定器件连接处的温度和操作期间封装的温度。基于这些分析和测量结果,可以确定等效的热阻。在对器件实施测量的特定条件下,等效热阻是有效的,一般是在最大操作温度下。

  在给定的数据手册中,会在绝对最大额定值表中给出每个产品的最大结温(基于器件的半导体工艺)。在表1中,指定的维持百万小时MTTF的最大结温为225℃。指定的这个温度一般适用于氮化镓(GaN)器件。超过这个限值会导致器件的寿命缩短,且出现永久性的器件故障。

  器件的工作温度(TCASE)已在封装底座上给出。TCASE是封装底部金属块的温度。工作温度不是器件周围空气的温度。

  如果已知TCASE和PDISS,则很容易计算得出结温(TJ)。例如,如果TCASE=75°C,PDISS=70 W,则可以使用以下公式计算TJ:

  考量到器件的可靠性时,TJ是最重要的规格参数,决不能超过此数值。相反,如果可以通过降低PDISS,使TJ保持在最大可允许的水平之下,则TCASE可以超过指定的绝对最大额定值。在此例中,当外壳温度超过指定的最大值85°C时,可使用减额值636 mW/°C来计算最大可允许的PDISS。例如,使用表1中的数据,当PDISS的限值为83 W时,可允许的最大TCASE为95°C。PDISS可使用以下公式计算:

  为了充分了解器件周围的整个热环境,必须对器件的散热路径和材料进行建模。图1显示了安装在PCB和散热器上的LFCSP封装的截面原理图。在本例中,裸片生热,然后经由封装和PCB传输到散热器。要确定器件连接处的温度,必须计算热阻。利用热阻与热流,可计算得出结温。然后将结温与最大指定结温进行比较,以确定器件是否可靠地运行。

  在典型电路板中,包含多个通孔和多个PCB层。在计算系统截面的热阻时,会使用热电路计算各个热阻,并将串联热阻与并联热阻结合起来,以此确定器件的总热阻。

  对于每个散热路径,都使用公式1来计算其热阻。要计算得出各个热阻值,必须已知材料的热导率。参见表2,查看PCB总成中常用材料的热导率。

  图2基于图1中所示的热模型,显示等效的热电路。TPKG表示封装底部的温度,TSINK表示散热器的温度。在图2中,假设封装(TA)周围的环境空气温度恒定不变。对于外层包有外壳的真实总成,TA可能随着功耗增加而升高。本分析忽略了散热路径至环境空气的温度,因为对于具有金属块的LFCSP和法兰封装,θJA要远大于θJC。

  HMC408LP3功率放大器采用一块0.01英寸厚,由Rogers RO4350层压板构成的评估板。图3所示的接地焊盘面积为0.065 × 0.065英寸,上有5个直径为0.012英寸的通孔。电路板顶部和底部分别有1盎司镀铜(0.0014英寸厚)。通孔采用½盎司铜进行镀层(0.0007英寸厚)。装配期间,会在通孔中填塞SN63焊料。分析显示,几乎所有的热流都会流经焊料填塞的通孔。因此,在本分析中,余下的电路板布局都可忽略。

  各个热阻都使用公式1计算得出。计算θSN63时,采用的SN63焊料的热导率为1.27 W/inK,长度(或者焊接点的厚度)为0.002英寸,焊接面积为0.004225英寸(0.065英寸× 0.065英寸)。

  接下来,以相似方式计算PCB顶部的铜镀层的值。铜镀层的热导率为10.008 W/inK,长度为0.0014 英寸(1盎司铜),镀层面积为0.00366平方英寸(in2)。

  外径为0.006英寸,内径为0.0053英寸时,计算得出的面积为0.00002485 in2。通孔的长度为板的厚度(0.01英寸),铜的热导率为10.008 W/inK。

  在图2所示的等效热电路中,三个热阻(θPCB、θVIACU和θVIASN63)并联组合之后为5.37°C/W。在通孔中填塞焊料之后,热阻从8.05°C/W降低至5.37°C/W。最后,加上热阻串联的值,可以得出整个PCB总成的热阻。

  器件,Q的值表示输入器件的总功率和器件输出的总功率之间的差值。总功率包括RF功率和直流功率。

  对于HMC408LP3功率放大器,使用公式11来计算图4中所示的PDISS的值。图4显示了放大器的以下特性:

  HMC408LP3功率放大器正常运行时(例如,输入功率≤ 5 dBm),功耗小于4 W,这表示散热器的温度可以稍微高于71.6°C。但是,如果放大器在深度压缩环境中工作,且输入功率等效于15 dBm,则PDISS升高,且要求散热器的温度低于71.6°C。

  组件的预期寿命与工作温度密切相关。在低于最大结温的温度下运行可以延长器件的使用寿命。超过最大结温会缩短使用寿命。因此,实施热分析可以确保在预期的操作条件下不会超过指定的最大结温。

  使用采用LFCSP和法兰封装的低结温表贴RF功率放大器来围装热阻迫使PCB不仅要充当器件之间的RF互连,还要用作导热路径以导走功率放大器的热量。

  在这些计算中,最关键的指标是RF放大器的结温或通道温度(TJ)。只要不超过最大结温,那么其他标称限值,例如TCASE,则可以高于限值。


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