采用LFCSP和法蘭封裝的RF放大器的熱管理計算

簡介

射頻(RF)放大器可采用引腳架構(gòu)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(dāng)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(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(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(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(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@些分析和測量結(jié)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。

表1.典型的RF放大器的絕對最大額定值

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(jié)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(jié)溫（基于器件的半導(dǎo)體工藝）。在表1中，指定的維持百萬小時MTTF的最大結(jié)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(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(T_CASE)已在封裝底座上給出。T_CASE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T_CASE和P_DISS，則很容易計算得出結(jié)溫(T_J)。例如，如果T_CASE=75°C，P_DISS=70 W，則可以使用以下公式計算T_J：

T_J = T_CASE + (θ_JC × P_DISS)

= 75°C + (1.57°C/W × 70 W)

= 184.9°C

考量到器件的可靠性時，T_J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P_DISS，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(dāng)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P_DISS。例如，使用表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)P_DISS的限值為83 W時，可允許的最大T_CASE為95°C。P_DISS可使用以下公式計算：

P_DISS = 89.4 W ? (636 mW/°C × 10°C)

= 83 W

使用此P_DISS值，可以計算得出225°C結(jié)溫，計算公式如下：

T_J = T_CASE + (θ_JC × P_DISS)

= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)

器件和PCB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(jié)溫。然后將結(jié)溫與最大指定結(jié)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：

• θ_JA是器件連接處到封裝頂部周圍空氣的熱阻。

• θ_JC是連接處到外殼（封裝底部的金屬塊）的熱阻。

• θ_SN63是焊料的熱阻。

• θ_CU是PCB上鍍銅的熱阻。

• θ_VIACU是通孔上鍍銅的熱阻。

• θ_VIASN63是通孔中填充的焊料的熱阻。

• θ_PCB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(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(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。T_PKG表示封裝底部的溫度，T_SINK表示散熱器的溫度。在圖2中，假設(shè)封裝(T_A)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，T_A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L_FCSP和法蘭封裝，θ_JA要遠大于θ_JC。

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(gòu)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。

圖3.接地焊盤布局

各個熱阻都使用公式1計算得出。計算θ_SN63時，采用的SN63焊料的熱導(dǎo)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）。

(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(dǎo)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)。

(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 × (r_O² – r_I²) (6)

其中：

r_O表示外徑。

r_I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(dǎo)率為10.008 W/inK。

(7)

因為并排存在5個通孔，所以熱阻要除以5。所以，θ_VIACU = 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θ_VIASN63 = 17.85°C/W。

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

(9)

在圖2所示的等效熱電路中，三個熱阻（θ_PCB、θ_VIACU和θ_VIASN63）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。

θ_ASSY = θ_SN63 + θ_CU + θ_EQUIV + θ_CU = 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 = P_INTOTAL ? P_OUTTOTAL = (P_INRF + P_INDC) ? P_OUTRF (11)

其中：

P_INTOTAL表示直流功率和RF輸入功率之和。

P_OUTTOTAL表示器件輸出的功率，與P_OUTRF相同。

P_INRF表示RF輸入功率。

P_INDC表示直流輸入功率。

P_OUTRF表示傳輸至負載的RF輸出功率。

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P_DISS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、θ_TOTAL和Q，可以使用以下公式計算得出結(jié)溫

ΔT = Q × θ_TOTAL (12)

θ_TOTAL = θ_ASSY + θJC = 5.81 + 13.79 = 19.6°C/W (13)

對于無RF輸入功率的靜止?fàn)顟B(tài)，Q = 4 W，且

?T = 4.0 × 19.6 = 78.4°C (14)

因為指定的HMC408LP3的最大結(jié)溫為150°C，所以在P_DISS = 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

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)溫的溫度下運行可以延長器件的使用壽命。超過最大結(jié)溫會縮短使用壽命。因此，實施熱分析可以確保在預(yù)期的操作條件下不會超過指定的最大結(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，θ_JC 取代θ_JA，成為衡量L_FCSP或法蘭封裝的重要熱阻指標(biāo)。

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