选用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热办理核算

简介

射频(RF)放大器可选用引脚架构芯片级封装(LFCSP)和法兰封装，经过老练的回流焊工艺安装在印刷电路板(PCB)上。PCB不只充任器材之间的电气互联衔接，仍是放大器排热的首要途径（运用封装底部的金属块）。

本应用笔记介绍热阻概念，而且供给一种技能，用于从裸片到选用LFCSP或法兰封装的典型RF放大器的散热器的热活动建模。

热概念回忆

暖流

资料不同区域之间存在温度差时，热量从高温区流向低温区。这一进程与电流类似，电流经由电路，从高电势区域流向低电势区域。

热阻

一切资料都具有必定的导热性。热导率是衡量资料导热才能的规范。热导率值通常以瓦特每米开尔文(W/mK)或瓦特每英寸开尔文(W/inK)为单位。假如已知资料的热导率，则选用以下公式，以C/W或K/W为单位核算资料单位体积的热阻(θ)：

(1)

其间：

Length表明资料的长度或厚度，以米为单位。

k为资料的热导率。

Area表明横截面积，以m²为单位。

温度

运用暖流量等效于电流量的类比，自身具有热阻且支撑暖流活动的资料的温差如下：

∆T = Q × θ  (2)

其间：

∆T表明资料不同区域之间的温差（K或°C）。

Q表明暖流(W)。

θ表明资料的热阻（C/W或K/W）。

器材的热阻

器材的热阻适当杂乱，往往与温度呈非线性联系。因而，咱们选用有限元剖析办法树立器材的热模型。红外拍摄技能能够确认器材衔接处的温度和操作期间封装的温度。依据这些剖析和丈量成果，能够确认等效的热阻。在对器材施行丈量的特定条件下，等效热阻是有用的，一般是在最大操作温度下。

参阅表1，检查典型的RF放大器的肯定最大额定值表。

表1.典型的RF放大器的肯定最大额定值

关于LFCSP和法兰封装，假定封装外壳是封装底部的金属块。

最高结温

在给定的数据手册中，会在肯定最大额定值表中给出每个产品的最大结温（依据器材的半导体工艺）。在表1中，指定的保持百万小时MTTF的最大结温为225℃。指定的这个温度一般适用于氮化镓(GaN)器材。超越这个限值会导致器材的寿数缩短，且呈现永久性的器材毛病。

作业温度规模

器材的作业温度(T_CASE)已在封装底座上给出。T_CASE是封装底部金属块的温度。作业温度不是器材周围空气的温度。

假如已知T_CASE和P_DISS，则很简单核算得出结温(T_J)。例如，假如T_CASE=75°C，P_DISS=70 W，则能够运用以下公式核算T_J：

T_J = T_CASE + (θ_JC × P_DISS)

= 75°C + (1.57°C/W × 70 W)

= 184.9°C

考量到器材的可靠性时，T_J是最重要的标准参数，决不能超越此数值。相反，假如能够经过下降P_DISS，使TJ保持在最大可答应的水平之下，则TCASE能够超越指定的肯定最大额定值。在此例中，当外壳温度超越指定的最大值85°C时，可运用减额值636 mW/°C来核算最大可答应的P_DISS。例如，运用表1中的数据，当P_DISS的限值为83 W时，可答应的最大T_CASE为95°C。P_DISS可运用以下公式核算：

P_DISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)

= 83 W

运用此P_DISS值，能够核算得出225°C结温，核算公式如下：

T_J = T_CASE + (θ_JC × P_DISS)

= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)

器材和PCB环境的热模型

为了充沛了解器材周围的整个热环境，有必要对器材的散热途径和资料进行建模。图1显现了安装在PCB和散热器上的LFCSP封装的截面原理图。在本例中，裸片生热，然后经由封装和PCB传输到散热器。要确认器材衔接处的温度，有必要核算热阻。运用热阻与暖流，可核算得出结温。然后将结温与最大指定结温进行比较，以确认器材是否可靠地运转。

在图1中，器材衔接处到散热器的散热途径界说如下：

• θ_JA是器材衔接处到封装顶部周围空气的热阻。

• θ_JC是衔接处到外壳（封装底部的金属块）的热阻。

• θ_SN63是焊料的热阻。

• θ_CU是PCB上镀铜的热阻。

• θ_VIACU是通孔上镀铜的热阻。

• θ_VIASN63是通孔中填充的焊料的热阻。

• θ_PCB是PCB层压资料的热阻。

在典型电路板中，包含多个通孔和多个PCB层。在核算体系截面的热阻时，会运用热电路核算各个热阻，并将串联热阻与并联热阻结合起来，以此确认器材的总热阻。

图1.安装在PCB和散热器上的LFCSP封装的热模型

体系的热阻核算

关于每个散热途径，都运用公式1来核算其热阻。要核算得出各个热阻值，有必要已知资料的热导率。参见表2，检查PCB总成中常用资料的热导率。

表2.常用PCB资料的热导率

图2依据图1中所示的热模型，显现等效的热电路。T_PKG表明封装底部的温度，T_SINK表明散热器的温度。在图2中，假定封装(T_A)周围的环境空气温度稳定不变。关于外层包有外壳的实在总成，T_A或许跟着功耗添加而升高。本剖析疏忽了散热途径至环境空气的温度，由于关于具有金属块的L_FCSP和法兰封装，θ_JA要远大于θ_JC。

图2.等效的热电路

热阻示例：HMC408LP3评价板

HMC408LP3功率放大器选用一块0.01英寸厚，由Rogers RO4350层压板构成的评价板。图3所示的接地焊盘面积为0.065 × 0.065英寸，上有5个直径为0.012英寸的通孔。电路板顶部和底部别离有1盎司镀铜（0.0014英寸厚）。通孔选用½盎司铜进行镀层（0.0007英寸厚）。安装期间，会在通孔中填塞SN63焊料。剖析显现，简直一切的暖流都会流经焊料填塞的通孔。因而，在本剖析中，余下的电路板布局都可疏忽。

图3.接地焊盘布局

各个热阻都运用公式1核算得出。核算θ_SN63时，选用的SN63焊料的热导率为1.27 W/inK，长度（或许焊接点的厚度）为0.002英寸，焊接面积为0.004225英寸（0.065英寸× 0.065英寸）。

(4)

 接下来，以类似方法核算PCB顶部的铜镀层的值。铜镀层的热导率为10.008 W/inK，长度为0.0014 英寸（1盎司铜），镀层面积为0.00366平方英寸(in²)。

(5)

关于通孔上铜镀层的面积，选用以下公式进行核算

面积 = π × (r_O² – r_I²) (6)

其间：

r_O表明外径。

r_I表明内径。

外径为0.006英寸，内径为0.0053英寸时，核算得出的面积为0.00002485 in²。通孔的长度为板的厚度（0.01英寸），铜的热导率为10.008 W/inK。

(7)

由于并排存在5个通孔，所以热阻要除以5。所以，θ_VIACU = 8.05°C/W。

以类似方法核算得出通孔的填塞焊料的值。

(8)

由于存在5个填塞通孔，所以等效热阻为θ_VIASN63 = 17.85°C/W。

接下来，运用0.01英寸长度、0.016 W/inK的Rogers RO4350热导率，以及0.00366 in²面积核算PCB的热阻。

(9)

在图2所示的等效热电路中，三个热阻（θ_PCB、θ_VIACU和θ_VIASN63）并联组合之后为5.37°C/W。在通孔中填塞焊料之后，热阻从8.05°C/W下降至5.37°C/W。最终，加上热阻串联的值，能够得出整个PCB总成的热阻。

θ_ASSY = θ_SN63 + θ_CU + θ_EQUIV + θ_CU = 0.372 + 0.038 + 5.37 + 0.038 = 5.81°C/W (10)

其间，θASSY表明总成的热阻。

确认功耗

热阻值确认后，有必要确认暖流(Q)值。关于RF器材，Q的值表明输入器材的总功率和器材输出的总功率之间的差值。总功率包含RF功率和直流功率。

Q = P_INTOTAL − P_OUTTOTAL = (P_INRF + P_INDC) − P_OUTRF (11)

其间：

P_INTOTAL表明直流功率和RF输入功率之和。

P_OUTTOTAL表明器材输出的功率，与P_OUTRF相同。

P_INRF表明RF输入功率。

P_INDC表明直流输入功率。

P_OUTRF表明传输至负载的RF输出功率。

图4.HMC408LP3功耗与输入功率

关于HMC408LP3功率放大器，运用公式11来核算图4中所示的P_DISS的值。图4显现了放大器的以下特性：

• 器材耗费约4 W功率，无RF输入信号。

• 选用RF信号时，PDISS的值由频率决议。

• 存在某一个输入功率，器材的功耗最低。

依据等效热阻、θ_TOTAL和Q，能够运用以下公式核算得出结温

ΔT = Q × θ_TOTAL (12)

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

关于无RF输入功率的停止状况，Q = 4 W，且

∆T = 4.0 × 19.6 = 78.4°C (14)

由于指定的HMC408LP3的最大结温为150°C，所以在P_DISS = 4 W时，散热器的温度有必要≤71.6°C（也就是说，78.4°C + 71.6°C = 150°C）。

HMC408LP3功率放大器正常运转时（例如，输入功率≤ 5 dBm），功耗小于4 W，这表明散热器的温度能够略微高于71.6°C。可是，假如放大器在深度紧缩环境中作业，且输入功率等效于15 dBm，则PDISS升高，且要求散热器的温度低于71.6°C。

表3.热作业数据表

可靠性

组件的预期寿数与作业温度密切相关。在低于最大结温的温度下运转能够延伸器材的运用寿数。超越最大结温会缩短运用寿数。因而，施行热剖析能够保证在预期的操作条件下不会超越指定的最大结温。

定论

运用选用LFCSP和法兰封装的低结温表贴RF功率放大器来围装热阻迫使PCB不只要充任器材之间的RF互连，还要用作导热途径以导走功率放大器的热量。

因而，θ_JC 替代θ_JA，成为衡量L_FCSP或法兰封装的重要热阻目标。

在这些核算中，最要害的目标是RF放大器的结温或通道温度(T_J)。只要不超越最大结温，那么其他标称限值，例如T_CASE，则能够高于限值。