采用LFCSP和法蘭封裝的RF放大器的熱管理計算

winniewei 提交于 周三, 12/25/2019
采用LFCSP和法蘭封裝的RF放大器的熱管理計算

作者:Eamon Nash? ADI公司

簡介

射頻(RF)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(PCB)上。PCB不僅充當器件之間的電氣互聯連接,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RF放大器的散熱器的熱流動建模。

熱概念回顧

熱流

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

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/WK/W為單位計算材料單位體積的熱阻(θ)

1??(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表示材料不同區域之間的溫差(K或°C)。

Q表示熱流(W)

θ表示材料的熱阻(C/WK/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。基于這些分析和測量結果,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RF放大器的絕對最大額定值表。

1.典型的RF放大器的絕對最大額定值

參數

額定值

漏極偏置電壓(VDD)

60 V dc

柵極偏置電壓(VGG1)

-8 V0 V dc

射頻(RF)輸入功率(RFIN)

35 dBm

連續功耗(PDISS) (T = 85°C)85°C以上以636 mW/°C減額)

89.4 W

熱阻,結至焊盤背面(θJC)

1.57°C/W

溫度范圍

?

存儲

-55°C+150°C

工作溫度

-40°C+85°C

保持百萬小時平均無故障時間(MTTF)的結溫范圍(TJ)

225°C

標稱結溫(TCASE = 85°CVDD = 50 V

187°C

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

在給定的數據手冊中,會在絕對最大額定值表中給出每個產品的最大結溫(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TCASEPDISS,則很容易計算得出結溫(TJ)。例如,如果TCASE=75°CPDISS=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是最重要的規格參數,決不能超過此數值。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中的數據,當PDISS的限值為83 W時,可允許的最大TCASE95°CPDISS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:

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

器件和PCB環境的熱模型

為了充分了解器件周圍的整個熱環境,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,然后經由封裝和PCB傳輸到散熱器。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。

?????????? θCUPCB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。

?????????? θPCBPCB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。在計算系統截面的熱阻時,會使用熱電路計算各個熱阻,并將串聯熱阻與并聯熱阻結合起來,以此確定器件的總熱阻。

1

1.安裝在PCB和散熱器上的LFCSP封裝的熱模型

系統的熱阻計算

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。

2.常用PCB材料的熱導率

材料

熱導率(W/inK)

(Cu)

10.008

(Al)

5.499

Rogers 4350 (RO4350)

0.016

FR4G-10層壓材料

0.008

氧化鋁(Al2O3)

0.701

SN63焊料

1.270

導熱環氧樹脂

0.020

砷化鎵(GaAs)

1.501

模塑料

0.019

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

1

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。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。

1

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)。

1? (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)

?1 ?(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表示內徑。

外徑為0.006英寸,內徑為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

?1?(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。

1? ?(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/inKRogers RO4350熱導率,以及0.00366 in2面積計算PCB的熱阻。

1? ?(9)

在圖2所示的等效熱電路中,三個熱阻(θPCB、θVIACU和θVIASN63)并聯組合之后為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。總功率包括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。

1

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。

根據等效熱阻、θTOTALQ,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,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

3.熱工作數據表

描述

單位

注釋

散熱器最高溫度

70

°C

?

θASSY

5.81

°C/W

從等效熱電路計算得出

θJC

13.79

°C/W

來自數據手冊

θTOTAL

19.6

°C/W

添加θASSY和θJC

Q

4.0

W

?

得出的結溫

148.4

°C

散熱器最高溫度 + (θTOTAL × Q);不超過數據手冊中列出的最大通道溫度

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。

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