采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算

作者：Eamon Nash ADI公司
简介
射频(RF)放大器可采用引脚架构芯片级封装(LFCSP)和法兰封装，通过成熟的回流焊工艺安装在印刷电路板(PCB)上。PCB不仅充当器件之间的电气互联连接，还是放大器排热的主要途径（利用封装底部的金属块）。
 
本应用笔记介绍热阻概念，并且提供一种技术，用于从裸片到采用LFCSP或法兰封装的典型RF放大器的散热器的热流动建模。
 
热概念回顾
 
热流
材料不同区域之间存在温度差时，热量从高温区流向低温区。这一过程与电流类似，电流经由电路，从高电势区域流向低电势区域。
 
热阻
所有材料都具有一定的导热性。热导率是衡量材料导热能力的标准。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。如果已知材料的热导率，则采用以下公式，以C/W或K/W为单位计算材料单位体积的热阻(θ)：
(1)
其中：
Length表示材料的长度或厚度，以米为单位。
k为材料的热导率。
Area表示横截面积，以m²为单位。
 
温度
利用热流量等效于电流量的类比，本身具备热阻且支持热流流动的材料的温差如下：
∆T = Q × θ (2)
其中：
∆T表示材料不同区域之间的温差（K或°C）。
Q表示热流(W)。
θ表示材料的热阻（C/W或K/W）。
 
器件的热阻
 
器件的热阻相当复杂，往往与温度呈非线性关系。因此，我们采用有限元分析方法建立器件的热模型。红外摄影技术可以确定器件连接处的温度和操作期间封装的温度。基于这些分析和测量结果，可以确定等效的热阻。在对器件实施测量的特定条件下，等效热阻是有效的，一般是在最大操作温度下。
 
参考表1，查看典型的RF放大器的绝对最大额定值表。
  
表1.典型的RF放大器的绝对最大额定值

参数	额定值
漏极偏置电压(VDD)	60 V dc
栅极偏置电压(VGG1)	-8 V至0 V dc
射频(RF)输入功率(RFIN)	35 dBm
连续功耗(PDISS) (T = 85°C)（85°C以上以636 mW/°C减额）	89.4 W
热阻，结至焊盘背面(θJC)	1.57°C/W
温度范围
存储	-55°C至+150°C
工作温度	-40°C至+85°C
保持百万小时平均无故障时间(MTTF)的结温范围(TJ)	225°C
标称结温（TCASE = 85°C，VDD = 50 V）	187°C

 
对于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，会在绝对最大额定值表中给出每个产品的最大结温（基于器件的半导体工艺）。在表1中，指定的维持百万小时MTTF的最大结温为225℃。指定的这个温度一般适用于氮化镓(GaN)器件。超过这个限值会导致器件的寿命缩短，且出现永久性的器件故障。
 
工作温度范围
 
器件的工作温度(T_CASE)已在封装底座上给出。T_CASE是封装底部金属块的温度。工作温度不是器件周围空气的温度。
 
如果已知T_CASE和P_DISS，则很容易计算得出结温(T_J)。例如，如果T_CASE=75°C，P_DISS=70 W，则可以使用以下公式计算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时，T_J是最重要的规格参数，决不能超过此数值。相反，如果可以通过降低P_DISS，使T_J保持在最大可允许的水平之下，则T_CASE可以超过指定的绝对最大额定值。在此例中，当外壳温度超过指定的最大值85°C时，可使用减额值636 mW/°C来计算最大可允许的P_DISS。例如，使用表1中的数据，当P_DISS的限值为83 W时，可允许的最大T_CASE为95°C。P_DISS可使用以下公式计算：
P_DISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)
= 83 W
 
使用此P_DISS 值，可以计算得出225°C结温，计算公式如下：
T_J = T_CASE + (θ_JC × P_DISS)
= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)
 
器件和PCB环境的热模型
 
为了充分了解器件周围的整个热环境，必须对器件的散热路径和材料进行建模。图1显示了安装在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。要确定器件连接处的温度，必须计算热阻。利用热阻与热流，可计算得出结温。然后将结温与最大指定结温进行比较，以确定器件是否可靠地运行。
 
在图1中，器件连接处到散热器的散热路径定义如下：
• θ_JA是器件连接处到封装顶部周围空气的热阻。
• θ_JC是连接处到外壳（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层压材料的热阻。
 
在典型电路板中，包含多个通孔和多个PCB层。在计算系统截面的热阻时，会使用热电路计算各个热阻，并将串联热阻与并联热阻结合起来，以此确定器件的总热阻。

 
图1.安装在PCB和散热器上的LFCSP封装的热模型
 
系统的热阻计算
对于每个散热路径，都使用公式1来计算其热阻。要计算得出各个热阻值，必须已知材料的热导率。参见表2，查看PCB总成中常用材料的热导率。
 

 
 
图2基于图1中所示的热模型，显示等效的热电路。T_PKG表示封装底部的温度，T_SINK表示散热器的温度。在图2中，假设封装(T_A)周围的环境空气温度恒定不变。对于外层包有外壳的真实总成，T_A可能随着功耗增加而升高。本分析忽略了散热路径至环境空气的温度，因为对于具有金属块的LFCSP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评估板
 
HMC408LP3功率放大器采用一块0.01英寸厚，由Rogers RO4350层压板构成的评估板。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。电路板顶部和底部分别有1盎司镀铜（0.0014英寸厚）。通孔采用½盎司铜进行镀层（0.0007英寸厚）。装配期间，会在通孔中填塞SN63焊料。分析显示，几乎所有的热流都会流经焊料填塞的通孔。因此，在本分析中，余下的电路板布局都可忽略。

 
图3.接地焊盘布局
 
各个热阻都使用公式1计算得出。计算θ_SN63时，采用的SN63焊料的热导率为1.27 W/inK，长度（或者焊接点的厚度）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，以相似方式计算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)
 
对于通孔上铜镀层的面积，采用以下公式进行计算
面积 = π × (r_O² – r_I²) (6)
 
其中：
r_O表示外径。
r_I表示内径。
外径为0.006英寸，内径为0.0053英寸时，计算得出的面积为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)
 
因为并排存在5个通孔，所以热阻要除以5。所以，θ_VIACU = 8.05°C/W。
 
以相似方式计算得出通孔的填塞焊料的值。
(8)
 
因为存在5个填塞通孔，所以等效热阻为θ_VIASN63 = 17.85°C/W。
 
接下来，使用0.01英寸长度、0.016 W/inK的Rogers RO4350热导率，以及0.00366 in²面积计算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降低至5.37°C/W。最后，加上热阻串联的值，可以得出整个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)
 
其中，θ_ASSY表示总成的热阻。
 
确定功耗
 
热阻值确定后，必须确定热流(Q)值。对于RF器件，Q的值表示输入器件的总功率和器件输出的总功率之间的差值。总功率包括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输入功率之和。
P_OUTTOTAL表示器件输出的功率，与P_OUTRF相同。
P_INRF表示RF输入功率。
P_INDC表示直流输入功率。
P_OUTRF表示传输至负载的RF输出功率。

 
图4.HMC408LP3功耗与输入功率
 
对于HMC408LP3功率放大器，使用公式11来计算图4中所示的P_DISS的值。图4显示了放大器的以下特性：
• 器件消耗约4 W功率，无RF输入信号。
• 采用RF信号时，P_DISS的值由频率决定。
• 存在某一个输入功率，器件的功耗最低。
 
根据等效热阻、θ_TOTAL和Q，可以使用以下公式计算得出结温
ΔT = Q × θ_TOTAL (12)
θ_TOTAL = θ_ASSY + θ_JC = 5.81 + 13.79 = 19.6°C/W (13)
 
对于无RF输入功率的静止状态，Q = 4 W，且
∆T = 4.0 × 19.6 = 78.4°C (14)
 
因为指定的HMC408LP3的最大结温为150°C，所以在P_DISS = 4 W时，散热器的温度必须≤71.6°C（也就是说，78.4°C + 71.6°C = 150°C）。
 
HMC408LP3功率放大器正常运行时（例如，输入功率≤ 5 dBm），功耗小于4 W，这表示散热器的温度可以稍微高于71.6°C。但是，如果放大器在深度压缩环境中工作，且输入功率等效于15 dBm，则P_DISS升高，且要求散热器的温度低于71.6°C。
 

 
可靠性
 
组件的预期寿命与工作温度密切相关。在低于最大结温的温度下运行可以延长器件的使用寿命。超过最大结温会缩短使用寿命。因此，实施热分析可以确保在预期的操作条件下不会超过指定的最大结温。
 
结论
 
使用采用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不仅要充当器件之间的RF互连，还要用作导热路径以导走功率放大器的热量。
 
因此，θ_JC 取代θ_JA，成为衡量LFCSP或法兰封装的重要热阻指标。
 
在这些计算中，最关键的指标是RF放大器的结温或通道温度(T_J)。只要不超过最大结温，那么其他标称限值，例如T_CASE，则可以高于限值。