中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算

关键词:LFCSP RF放大器 热管理

时间:2019-12-25 09:47:39       来源:ADI

作者:Eamon Nash  ADI公司

简介

射频(RF)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(PCB)上。PCB不仅充当器件之间的电气互联连接,还是放大器排热的主要途径(利用封装底部的金属块)。

本应用笔记介绍热阻概念,并且提供一种技术,用于从裸片到采用LFCSP或法兰封装的典型RF放大器的散热器的热流动建模。

热概念回顾

热流

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。

热阻

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):

(1)

其中:

Length表示材料的长度或厚度,以米为单位。

k为材料的热导率。

Area表示横截面积,以m2为单位。

温度

利用热流量等效于电流量的类比,本身具备热阻且支持热流流动的材料的温差如下:

∆T = Q × θ (2)

其中:

∆T表示材料不同区域之间的温差(K或°C)。

Q表示热流(W)。

θ表示材料的热阻(C/W或K/W)。

器件的热阻

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。

参考表1,查看典型的RF放大器的绝对最大额定值表。

表1.典型的RF放大器的绝对最大额定值

参数

额定值

漏极偏置电压(VDD)

60 V dc

栅极偏置电压(VGG1)

-8 V至0 V dc

射频(RF)输入功率(RFIN)

35 dBm

连续功耗(PDISS) (T = 85°C)(85°C以上以636 mW/°C减额)

89.4 W

热阻,结至焊盘背面(θJC)

1.57°C/W

温度范围

存储

-55°C至+150°C

工作温度

-40°C至+85°C

保持百万小时平均无故障时间(MTTF)的结温范围(TJ)

225°C

标称结温(TCASE = 85°C,VDD = 50 V)

187°C

对于LFCSP和法兰封装,假定封装外壳是封装底部的金属块。

最高结温

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。

工作温度范围

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

TJ = TCASE + (θJC × PDISS)
= 75°C + (1.57°C/W × 70 W)
= 184.9°C

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:

PDISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)
= 83 W

使用此PDISS 值,可以计算得出225°C结温,计算公式如下:

TJ = TCASE + (θJC × PDISS)
= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)

器件和PCB环境的热模型

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。

在图1中,器件连接处到散热器的散热路径定义如下:

• θJA是器件连接处到封装顶部周围空气的热阻。

• θJC是连接处到外壳(封装底部的金属块)的热阻。

• θSN63是焊料的热阻。

• θCU是PCB上镀铜的热阻。

• θVIACU是通孔上镀铜的热阻。

• θVIASN63是通孔中填充的焊料的热阻。

• θPCB是PCB层压材料的热阻。

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。

图1.安装在PCB和散热器上的LFCSP封装的热模型

系统的热阻计算

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。

表2.常用PCB材料的热导率

材料

热导率(W/inK)

铜(Cu)

10.008

铝(Al)

5.499

Rogers 4350 (RO4350)

0.016

FR4或G-10层压材料

0.008

氧化铝(Al2O3)

0.701

SN63焊料

1.270

导热环氧树脂

0.020

砷化镓(GaAs)

1.501

模塑料

0.019

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

图2.等效的热电路

热阻示例:HMC408LP3评估板

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。

图3.接地焊盘布局

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)。

(4)

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)。

(5)

对于通孔上铜镀层的面积,采用以下公式进行计算

面积 = π × (rO2 – rI2) (6)

其中:

rO表示外径。

rI表示内径。

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。

(7)

因为并排存在5个通孔,所以热阻要除以5。所以,θVIACU = 8.05°C/W。

以相似方式计算得出通孔的填塞焊料的值。

(8)

因为存在5个填塞通孔,所以等效热阻为θVIASN63 = 17.85°C/W。

接下来,使用0.01英寸长度、0.016 W/inK的Rogers RO4350热导率,以及0.00366 in2面积计算PCB的热阻。

(9)

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。

θASSY = θSN63 + θCU + θEQUIV + θCU = 0.372 + 0.038 + 5.37 + 0.038 = 5.81°C/W (10)

其中,θASSY表示总成的热阻。

确定功耗

热阻值确定后,必须确定热流(Q)值。对于RF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。

Q = PINTOTAL − POUTTOTAL = (PINRF + PINDC) − POUTRF (11)

其中:

PINTOTAL表示直流功率和RF输入功率之和。

POUTTOTAL表示器件输出的功率,与POUTRF相同。

PINRF表示RF输入功率。

PINDC表示直流输入功率。

POUTRF表示传输至负载的RF输出功率。

图4.HMC408LP3功耗与输入功率

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:

• 器件消耗约4 W功率,无RF输入信号。

• 采用RF信号时,PDISS的值由频率决定。

• 存在某一个输入功率,器件的功耗最低。

根据等效热阻、θTOTAL和Q,可以使用以下公式计算得出结温

ΔT = Q × θTOTAL (12)

θTOTAL = θASSY + θJC = 5.81 + 13.79 = 19.6°C/W (13)

对于无RF输入功率的静止状态,Q = 4 W,且

∆T = 4.0 × 19.6 = 78.4°C (14)

因为指定的HMC408LP3的最大结温为150°C,所以在PDISS = 4 W时,散热器的温度必须≤71.6°C(也就是说,78.4°C + 71.6°C = 150°C)。

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。

表3.热工作数据表

描述

单位

注释

散热器最高温度

70

°C

θASSY

5.81

°C/W

从等效热电路计算得出

θJC

13.79

°C/W

来自数据手册

θTOTAL

19.6

°C/W

添加θASSY和θJC

Q

4.0

W

得出的结温

148.4

°C

散热器最高温度 + (θTOTAL × Q);不超过数据手册中列出的最大通道温度

可靠性

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。

结论

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。

因此,θJC 取代θJA,成为衡量LFCSP或法兰封装的重要热阻指标。

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。

  • 分享到:

 

猜你喜欢