本應用筆記介紹熱阻概念，並且提供一種技術
，用於從裸片到采用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/W或K/W為單位計算材料單位體積的熱阻(θ)：

 

  (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表示橫截麵積，以m2為單位。

 

溫度

 

利用熱流量等效於電流量的類比，本身具備熱阻且支持熱流流動的材料的溫差如下：

 

 

器件的熱阻

 

器(qi)件(jian)的(de)熱(re)阻(zu)相(xiang)當(dang)複(fu)雜(za)
，往(wang)往(wang)與(yu)溫(wen)度(du)呈(cheng)非(fei)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)。因(yin)此(ci)
，我(wo)們(men)采(cai)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)建(jian)立(li)器(qi)件(jian)的(de)熱(re)模(mo)型(xing)。紅(hong)外(wai)攝(she)影(ying)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)器(qi)件(jian)連(lian)接(jie)處(chu)的(de)溫(wen)度(du)和(he)操(cao)作(zuo)期(qi)間(jian)封(feng)裝(zhuang)的(de)溫(wen)度(du)。基(ji)於(yu)這(zhe)些(xie)分(fen)析(xi)和(he)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)
，可(ke)以(yi)確(que)定(ding)等(deng)效(xiao)的(de)熱(re)阻(zu)。在(zai)對(dui)器(qi)件(jian)實(shi)施(shi)測(ce)量(liang)的(de)特(te)定(ding)條(tiao)件(jian)下(xia)，等(deng)效(xiao)熱(re)阻(zu)是(shi)有(you)效(xiao)的(de)，一(yi)般(ban)是(shi)在(zai)最(zui)大(da)操(cao)作(zuo)溫(wen)度(du)下(xia)。

 

參考表1，查看典型的RF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

 

對於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（基於器件的半導體工藝）。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於氮化镓(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。

 

工作溫度範圍

 

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：

 

 

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TCASE為95°C。PDISS可使用以下公式計算：

 

 

使用此PDISS值，可以計算得出225°C結溫
，計算公式如下：

 

 

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封裝的截麵原理圖。在本例中，裸片生熱
，然後經由封裝和PCBchuanshudaosanreqi。yaoquedingqijianlianjiechudewendu，bixujisuanrezu。liyongrezuyureliu，kejisuandechujiewen。ranhoujiangjiewenyuzuidazhidingjiewenjinxingbijiao，yiquedingqijianshifoukekaodiyunxing。

 

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
，包含多個通孔和多個PCB層。在計算係統截麵的熱阻時，會使用熱電路計算各個熱阻，並將串聯熱阻與並聯熱阻結合起來，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

 

係統的熱阻計算

 

對於每個散熱路徑，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

 

圖2基於圖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。對於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，因為對於具有金屬塊的LFCSP和法蘭封裝
，θJA要遠大於θJC。

 

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所示的接地焊盤麵積為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½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，餘下的電路板布局都可忽略。

 

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，焊接麵積為0.004225英寸（0.065英寸× 0.065英寸）。

 

  (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），鍍層麵積為0.00366平方英寸(in2)。

 

  (5)

 

對於通孔上銅鍍層的麵積
，采用以下公式進行計算

 

 

(7)

 

因為並排存在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。

 

   (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麵積計算PCB的熱阻。

 

   (9)

 

 

確定功耗

 

熱阻值確定後，必須確定熱流(Q)值。對於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。

 

 

圖4.HMC408LP3功耗與輸入功率

 

對於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。

 

 

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），功耗小於4 W，這表示散熱器的溫度可以稍微高於71.6°C。但是，如果放大器在深度壓縮環境中工作，且輸入功率等效於15 dBm，則PDISS升高，且要求散熱器的溫度低於71.6°C。

 

表3.熱工作數據表

 

可靠性

 

組zu件jian的de預yu期qi壽shou命ming與yu工gong作zuo溫wen度du密mi切qie相xiang關guan。在zai低di於yu最zui大da結jie溫wen的de溫wen度du下xia運yun行xing可ke以yi延yan長chang器qi件jian的de使shi用yong壽shou命ming。超chao過guo最zui大da結jie溫wen會hui縮suo短duan使shi用yong壽shou命ming。因yin此ci，實shi施shi熱re分fen析xi可ke以yi確que保bao在zai預yu期qi的de操cao作zuo條tiao件jian下xia不bu會hui超chao過guo指zhi定ding的de最zui大da結jie溫wen。

 

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)。隻要不超過最大結溫，那麼其他標稱限值，例如TCASE，則可以高於限值。

 

 

推薦閱讀：