作者：Eamon Nash ADI公司
簡(jiǎn)介
射頻(RF)放大器可采用引腳架構(gòu)芯片級(jí)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）。
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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。
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熱概念回顧
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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。
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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。
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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：
?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）。
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器件的熱阻
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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。基于這些分析和測(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。
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參考表1，查看典型的RF放大器的絕對(duì)最大額定值表。
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表1.典型的RF放大器的絕對(duì)最大額定值

參數(shù)	額定值
漏極偏置電壓(VDD)	60 V dc
柵極偏置電壓(VGG1)	-8 V至0 V dc
射頻(RF)輸入功率(RFIN)	35 dBm
連續(xù)功耗(PDISS) (T = 85°C)（85°C以上以636 mW/°C減額）	89.4 W
熱阻，結(jié)至焊盤背面(θJC)	1.57°C/W
溫度范圍	?
存儲(chǔ)	-55°C至+150°C
工作溫度	-40°C至+85°C
保持百萬小時(shí)平均無故障時(shí)間(MTTF)的結(jié)溫范圍(TJ)	225°C
標(biāo)稱結(jié)溫（TCASE?= 85°C，VDD?= 50 V）	187°C

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對(duì)于LFCSP和法蘭封裝，假定封裝外殼是封裝底部的金屬塊。
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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。
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工作溫度范圍
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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。
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如果已知T_CASE和P_DISS，則很容易計(jì)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(jì)算T_J：
T_J?= T_CASE?+ (θ_JC?× P_DISS)
= 75°C + (1.57°C/W × 70 W)
= 184.9°C
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考量到器件的可靠性時(shí)，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T_J保持在最大可允許的水平之下，則T_CASE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(shí)，可允許的最大T_CASE為95°C。P_DISS可使用以下公式計(jì)算：
P_DISS?= 89.4 W ??(636 mW/°C × 10°C)
= 83 W
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使用此P_DISS?值，可以計(jì)算得出225°C結(jié)溫，計(jì)算公式如下：
T_J?= T_CASE?+ (θ_JC?× P_DISS)
= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)
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器件和PCB環(huán)境的熱模型
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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。
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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。
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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。

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圖1.安裝在PCB和散熱器上的LFCSP封裝的熱模型
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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。
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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(duì)于外層包有外殼的真實(shí)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?yàn)閷?duì)于具有金屬塊的LFCSP和法蘭封裝，θ_JA要遠(yuǎn)大于θ_JC。
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圖2.等效的熱電路
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熱阻示例：HMC408LP3評(píng)估板
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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?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。

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圖3.接地焊盤布局
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各個(gè)熱阻都使用公式1計(jì)算得出。計(jì)算θ_SN63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)
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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)
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對(duì)于通孔上銅鍍層的面積，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算
面積 = π × (r_O²?– r_I²) (6)
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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(shí)，計(jì)算得出的面積為0.00002485 in²。通孔的長(zhǎng)度為板的厚度（0.01英寸），銅的熱導(dǎo)率為10.008 W/inK。
(7)
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因?yàn)椴⑴糯嬖?個(gè)通孔，所以熱阻要除以5。所以，θ_VIACU?= 8.05°C/W。
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以相似方式計(jì)算得出通孔的填塞焊料的值。
(8)
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因?yàn)榇嬖?個(gè)填塞通孔，所以等效熱阻為θ_VIASN63?= 17.85°C/W。
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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)
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在圖2所示的等效熱電路中，三個(gè)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(gè)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)
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其中，θ_ASSY表示總成的熱阻。
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確定功耗
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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。
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(fù)載的RF輸出功率。

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圖4.HMC408LP3功耗與輸入功率
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對(duì)于HMC408LP3功率放大器，使用公式11來計(jì)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(hào)。
??采用RF信號(hào)時(shí)，P_DISS的值由頻率決定。
??存在某一個(gè)輸入功率，器件的功耗最低。
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根據(jù)等效熱阻、θ_TOTAL和Q，可以使用以下公式計(jì)算得出結(jié)溫
ΔT?= Q?× θ_TOTAL (12)
θ_TOTAL?= θ_ASSY?+ θ_JC?= 5.81 + 13.79 = 19.6°C/W (13)
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對(duì)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)
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因?yàn)橹付ǖ腍MC408LP3的最大結(jié)溫為150°C，所以在P_DISS?= 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）。
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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P_DISS升高，且要求散熱器的溫度低于71.6°C。
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可靠性
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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。
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結(jié)論
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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。
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因此，θ_JC?取代θ_JA，成為衡量LFCSP或法蘭封裝的重要熱阻指標(biāo)。
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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(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。