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          采用LFCSP和法蘭封裝的RF放大器的熱管理計算

          作者:ADI公司 Eamon Nash 時間:2019-12-25 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          簡介

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201912/408597.htm

          射頻()放大器可采用引腳架構芯片級封裝(LFCSP)和法蘭封裝,通過成熟的回流焊工藝安裝在印刷電路板()上。不僅充當器件之間的電氣互聯(lián)連接,還是放大器排熱的主要途徑(利用封裝底部的金屬塊)。

          本應用筆記介紹熱阻概念,并且提供一種技術,用于從裸片到采用LFCSP或法蘭封裝的典型放大器的散熱器的熱流動建模。

          熱概念回顧

          熱流

          材料不同區(qū)域之間存在溫度差時,熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。這一過程與電流類似,電流經(jīng)由電路,從高電勢區(qū)域流向低電勢區(qū)域。

          熱阻

          所有材料都具有一定的導熱性。熱導率是衡量材料導熱能力的標準。熱導率值通常以瓦特每米開爾文(W/mK)或瓦特每英寸開爾文(W/inK)為單位。如果已知材料的熱導率,則采用以下公式,以C/W或K/W為單位計算材料單位體積的熱阻(θ):

          1577262720222300.png(1)

          其中:

          Length表示材料的長度或厚度,以米為單位。

          k為材料的熱導率。

          Area表示橫截面積,以m2為單位。

          溫度

          利用熱流量等效于電流量的類比,本身具備熱阻且支持熱流流動的材料的溫差如下:

          ?T = Q × θ  (2)

          其中:

          ?T表示材料不同區(qū)域之間的溫差(K或°C)。

          Q表示熱流(W)。

          θ表示材料的熱阻(C/W或K/W)。

          器件的熱阻

          器件的熱阻相當復雜,往往與溫度呈非線性關系。因此,我們采用有限元分析方法建立器件的熱模型。紅外攝影技術可以確定器件連接處的溫度和操作期間封裝的溫度?;谶@些分析和測量結果,可以確定等效的熱阻。在對器件實施測量的特定條件下,等效熱阻是有效的,一般是在最大操作溫度下。

          參考表1,查看典型的放大器的絕對最大額定值表。

          表1.典型的RF放大器的絕對最大額定值

          image.png

          對于LFCSP和法蘭封裝,假定封裝外殼是封裝底部的金屬塊。

          最高結溫

          在給定的數(shù)據(jù)手冊中,會在絕對最大額定值表中給出每個產(chǎn)品的最大結溫(基于器件的半導體工藝)。在表1中,指定的維持百萬小時MTTF的最大結溫為225℃。指定的這個溫度一般適用于氮化鎵(GaN)器件。超過這個限值會導致器件的壽命縮短,且出現(xiàn)永久性的器件故障。

          工作溫度范圍

          器件的工作溫度(TCASE)已在封裝底座上給出。TCASE是封裝底部金屬塊的溫度。工作溫度不是器件周圍空氣的溫度。

          如果已知TCASE和PDISS,則很容易計算得出結溫(TJ)。例如,如果TCASE=75°C,PDISS=70 W,則可以使用以下公式計算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時,TJ是最重要的規(guī)格參數(shù),決不能超過此數(shù)值。相反,如果可以通過降低PDISS,使TJ保持在最大可允許的水平之下,則TCASE可以超過指定的絕對最大額定值。在此例中,當外殼溫度超過指定的最大值85°C時,可使用減額值636 mW/°C來計算最大可允許的PDISS。例如,使用表1中的數(shù)據(jù),當PDISS的限值為83 W時,可允許的最大TCASE為95°C。PDISS可使用以下公式計算:

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

          = 83 W

          使用此PDISS值,可以計算得出225°C結溫,計算公式如下:

          T= TCASE + (θJC × PDISS)

          = 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)

          器件和環(huán)境的熱模型

          為了充分了解器件周圍的整個熱環(huán)境,必須對器件的散熱路徑和材料進行建模。圖1顯示了安裝在PCB和散熱器上的LFCSP封裝的截面原理圖。在本例中,裸片生熱,然后經(jīng)由封裝和PCB傳輸?shù)缴崞?。要確定器件連接處的溫度,必須計算熱阻。利用熱阻與熱流,可計算得出結溫。然后將結溫與最大指定結溫進行比較,以確定器件是否可靠地運行。

          在圖1中,器件連接處到散熱器的散熱路徑定義如下:

          • θJA是器件連接處到封裝頂部周圍空氣的熱阻。

          • θJC是連接處到外殼(封裝底部的金屬塊)的熱阻。

          • θSN63是焊料的熱阻。

          • θCU是PCB上鍍銅的熱阻。

          • θVIACU是通孔上鍍銅的熱阻。

          • θVIASN63是通孔中填充的焊料的熱阻。

          • θPCB是PCB層壓材料的熱阻。

          在典型電路板中,包含多個通孔和多個PCB層。在計算系統(tǒng)截面的熱阻時,會使用熱電路計算各個熱阻,并將串聯(lián)熱阻與并聯(lián)熱阻結合起來,以此確定器件的總熱阻。

          image.png

          圖1.安裝在PCB和散熱器上的LFCSP封裝的熱模型

          系統(tǒng)的熱阻計算

          對于每個散熱路徑,都使用公式1來計算其熱阻。要計算得出各個熱阻值,必須已知材料的熱導率。參見表2,查看PCB總成中常用材料的熱導率。

          表2.常用PCB材料的熱導率

          image.png

          圖2基于圖1中所示的熱模型,顯示等效的熱電路。TPKG表示封裝底部的溫度,TSINK表示散熱器的溫度。在圖2中,假設封裝(TA)周圍的環(huán)境空氣溫度恒定不變。對于外層包有外殼的真實總成,TA可能隨著功耗增加而升高。本分析忽略了散熱路徑至環(huán)境空氣的溫度,因為對于具有金屬塊的LFCSP和法蘭封裝,θJA要遠大于θJC。

          image.png

          圖2.等效的熱電路

          熱阻示例:HMC408LP3評估板

          HMC408LP3功率放大器采用一塊0.01英寸厚,由Rogers RO4350層壓板構成的評估板。圖3所示的接地焊盤面積為0.065 × 0.065英寸,上有5個直徑為0.012英寸的通孔。電路板頂部和底部分別有1盎司鍍銅(0.0014英寸厚)。通孔采用?盎司銅進行鍍層(0.0007英寸厚)。裝配期間,會在通孔中填塞SN63焊料。分析顯示,幾乎所有的熱流都會流經(jīng)焊料填塞的通孔。因此,在本分析中,余下的電路板布局都可忽略。

           image.png

          圖3.接地焊盤布局

          各個熱阻都使用公式1計算得出。計算θSN63時,采用的SN63焊料的熱導率為1.27 W/inK,長度(或者焊接點的厚度)為0.002英寸,焊接面積為0.004225英寸(0.065英寸× 0.065英寸)。

          1577262818770864.png(4)

           接下來,以相似方式計算PCB頂部的銅鍍層的值。銅鍍層的熱導率為10.008 W/inK,長度為0.0014 英寸(1盎司銅),鍍層面積為0.00366平方英寸(in2)。

          image.png(5)

          對于通孔上銅鍍層的面積,采用以下公式進行計算

          面積 = π × (rO2 – rI2) (6)

          其中:

          rO表示外徑。

          rI表示內(nèi)徑。

          外徑為0.006英寸,內(nèi)徑為0.0053英寸時,計算得出的面積為0.00002485 in2。通孔的長度為板的厚度(0.01英寸),銅的熱導率為10.008 W/inK。

          1577262910434809.png(7)

          因為并排存在5個通孔,所以熱阻要除以5。所以,θVIACU = 8.05°C/W。

          以相似方式計算得出通孔的填塞焊料的值。

          1577262964941079.png(8)

          因為存在5個填塞通孔,所以等效熱阻為θVIASN63 = 17.85°C/W。

          接下來,使用0.01英寸長度、0.016 W/inK的Rogers RO4350熱導率,以及0.00366 in2面積計算PCB的熱阻。

          1577263004425021.png(9)

          在圖2所示的等效熱電路中,三個熱阻(θPCB、θVIACU和θVIASN63)并聯(lián)組合之后為5.37°C/W。在通孔中填塞焊料之后,熱阻從8.05°C/W降低至5.37°C/W。最后,加上熱阻串聯(lián)的值,可以得出整個PCB總成的熱阻。

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

          其中,θASSY表示總成的熱阻。

          確定功耗

          熱阻值確定后,必須確定熱流(Q)值。對于RF器件,Q的值表示輸入器件的總功率和器件輸出的總功率之間的差值??偣β拾≧F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輸入功率之和。

          POUTTOTAL表示器件輸出的功率,與POUTRF相同。

          PINRF表示RF輸入功率。

          PINDC表示直流輸入功率。

          POUTRF表示傳輸至負載的RF輸出功率。

          image.png

          圖4.HMC408LP3功耗與輸入功率

          對于HMC408LP3功率放大器,使用公式11來計算圖4中所示的PDISS的值。圖4顯示了放大器的以下特性:

          • 器件消耗約4 W功率,無RF輸入信號。

          • 采用RF信號時,PDISS的值由頻率決定。

          • 存在某一個輸入功率,器件的功耗最低。

          根據(jù)等效熱阻、θTOTAL和Q,可以使用以下公式計算得出結溫

          ΔT = Q × θTOTAL (12)

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

          對于無RF輸入功率的靜止狀態(tài),Q = 4 W,且

          ?T = 4.0 × 19.6 = 78.4°C (14)

          因為指定的HMC408LP3的最大結溫為150°C,所以在PDISS = 4 W時,散熱器的溫度必須≤71.6°C(也就是說,78.4°C + 71.6°C = 150°C)。

          HMC408LP3功率放大器正常運行時(例如,輸入功率≤ 5 dBm),功耗小于4 W,這表示散熱器的溫度可以稍微高于71.6°C。但是,如果放大器在深度壓縮環(huán)境中工作,且輸入功率等效于15 dBm,則PDISS升高,且要求散熱器的溫度低于71.6°C。

          表3.熱工作數(shù)據(jù)表

          image.png

          可靠性

          組件的預期壽命與工作溫度密切相關。在低于最大結溫的溫度下運行可以延長器件的使用壽命。超過最大結溫會縮短使用壽命。因此,實施熱分析可以確保在預期的操作條件下不會超過指定的最大結溫。

          結論

          使用采用LFCSP和法蘭封裝的低結溫表貼RF功率放大器來圍裝熱阻迫使PCB不僅要充當器件之間的RF互連,還要用作導熱路徑以導走功率放大器的熱量。

          因此,θJC 取代θJA,成為衡量LFCSP或法蘭封裝的重要熱阻指標。

          在這些計算中,最關鍵的指標是RF放大器的結溫或通道溫度(TJ)。只要不超過最大結溫,那么其他標稱限值,例如TCASE,則可以高于限值。



          關鍵詞: RF PCB

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