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

 

熱概念回顧

 

熱流

 

材料不同區(qū)域之間存在溫度差時(shí)，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(shì)區(qū)域流向低電勢(shì)區(qū)域。

 

熱阻

 

所有材料都具有一定的導(dǎo)熱性。熱導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)熱能力的標(biāo)準(zhǔn)。熱導(dǎo)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(dǎo)率，則采用以下公式，以C/W或K/W為單位計(jì)算材料單位體積的熱阻(θ)：

 

  (1)

 

其中：

 

Length表示材料的長(zhǎng)度或厚度，以米為單位。

 

k為材料的熱導(dǎo)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(dòng)的材料的溫差如下：

 

 

器件的熱阻

 

器件的熱阻相當(dāng)復(fù)雜，往往與溫度呈非線性關(guān)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(shù)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(cè)量結(jié)果，可以確定等效的熱阻。在對(duì)器件實(shí)施測(cè)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RF放大器的絕對(duì)最大額定值表。

 

表1.典型的RF放大器的絕對(duì)最大額定值

 

對(duì)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(jié)溫

 

在給定的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，會(huì)在絕對(duì)最大額定值表中給出每個(gè)產(chǎn)品的最大結(jié)溫（基于器件的半導(dǎo)體工藝）。在表1中，指定的維持百萬(wàn)小時(shí)MTTF的最大結(jié)溫為225℃。指定的這個(gè)溫度一般適用于氮化鎵(GaN)器件。超過這個(gè)限值會(huì)導(dǎo)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(jì)算得出結(jié)溫(TJ)。例如，如果TCASE=75°C，PDISS=70 W，則可以使用以下公式計(jì)算TJ：

 

 

考量到器件的可靠性時(shí)，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(duì)最大額定值。在此例中，當(dāng)外殼溫度超過指定的最大值85°C時(shí)，可使用減額值636 mW/°C來計(jì)算最大可允許的PDISS。例如，使用表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)PDISS的限值為83 W時(shí)，可允許的最大TCASE為95°C。PDISS可使用以下公式計(jì)算：

 

 

使用此PDISS值，可以計(jì)算得出225°C結(jié)溫，計(jì)算公式如下：

 

 

器件和PCB環(huán)境的熱模型

 

為了充分了解器件周圍的整個(gè)熱環(huán)境，必須對(duì)器件的散熱路徑和材料進(jìn)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(jì)算熱阻。利用熱阻與熱流，可計(jì)算得出結(jié)溫。然后將結(jié)溫與最大指定結(jié)溫進(jìn)行比較，以確定器件是否可靠地運(yùn)行。

 

在圖1中，器件連接處到散熱器的散熱路徑定義如下：

 

 

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

 

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(jì)算

 

對(duì)于每個(gè)散熱路徑，都使用公式1來計(jì)算其熱阻。要計(jì)算得出各個(gè)熱阻值，必須已知材料的熱導(dǎo)率。參見表2，查看PCB總成中常用材料的熱導(dǎo)率。

 

表2.常用PCB材料的熱導(dǎo)率

 

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(shè)封裝(TA)周圍的環(huán)境空氣溫度恒定不變。對(duì)于外層包有外殼的真實(shí)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?yàn)閷?duì)于具有金屬塊的LFCSP和法蘭封裝，θJA要遠(yuǎn)大于θJC。

 

圖2.等效的熱電路

 

熱阻示例：HMC408LP3評(píng)估板

 

HMC408LP3功率放大器采用一塊0.01英寸厚，由Rogers RO4350層壓板構(gòu)成的評(píng)估板。圖3所示的接地焊盤面積為0.065 × 0.065英寸，上有5個(gè)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½盎司銅進(jìn)行鍍層（0.0007英寸厚）。裝配期間，會(huì)在通孔中填塞SN63焊料。分析顯示，幾乎所有的熱流都會(huì)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。

 

圖3.接地焊盤布局

 

各個(gè)熱阻都使用公式1計(jì)算得出。計(jì)算θSN63時(shí)，采用的SN63焊料的熱導(dǎo)率為1.27 W/inK，長(zhǎng)度（或者焊接點(diǎn)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）。

 

  (4)

 

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

 

  (5)

 

對(duì)于通孔上銅鍍層的面積，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算

 

 

(7)

 

因?yàn)椴⑴糯嬖?個(gè)通孔，所以熱阻要除以5。所以，θVIACU = 8.05°C/W。

 

以相似方式計(jì)算得出通孔的填塞焊料的值。

 

   (8)

 

因?yàn)榇嬖?個(gè)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(zhǎng)度、0.016 W/inK的Rogers RO4350熱導(dǎo)率，以及0.00366 in2面積計(jì)算PCB的熱阻。

 

   (9)

 

 

確定功耗

 

熱阻值確定后，必須確定熱流(Q)值。對(duì)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。

 

 

圖4.HMC408LP3功耗與輸入功率

 

對(duì)于HMC408LP3功率放大器，使用公式11來計(jì)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(wú)RF輸入信號(hào)。

• 采用RF信號(hào)時(shí)，PDISS的值由頻率決定。

• 存在某一個(gè)輸入功率，器件的功耗最低。

 

 

因?yàn)橹付ǖ腍MC408LP3的最大結(jié)溫為150°C，所以在PDISS = 4 W時(shí)，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(yùn)行時(shí)（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

 

可靠性

 

組件的預(yù)期壽命與工作溫度密切相關(guān)。在低于最大結(jié)溫的溫度下運(yùn)行可以延長(zhǎng)器件的使用壽命。超過最大結(jié)溫會(huì)縮短使用壽命。因此，實(shí)施熱分析可以確保在預(yù)期的操作條件下不會(huì)超過指定的最大結(jié)溫。

 

結(jié)論

 

使用采用LFCSP和法蘭封裝的低結(jié)溫表貼RF功率放大器來圍裝熱阻迫使PCB不僅要充當(dāng)器件之間的RF互連，還要用作導(dǎo)熱路徑以導(dǎo)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(biāo)。

 

在這些計(jì)算中，最關(guān)鍵的指標(biāo)是RF放大器的結(jié)溫或通道溫度(TJ)。只要不超過最大結(jié)溫，那么其他標(biāo)稱限值，例如TCASE，則可以高于限值。

 

 

推薦閱讀：