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作者：Eamon Nash ADI公司
簡介
射頻(RF)放大器可采用引腳架構芯片級封裝(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不僅充當器件之間的電氣互聯連接，還是放大器排熱的主要途徑（利用封裝底部的金屬塊）。
本應用筆記介紹熱阻概念，并且提供一種技術，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
器件的熱阻相當復雜，往往與溫度呈非線性關系。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。基于這些分析和測量結果，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
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參數
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額定值
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漏極偏置電壓(VDD)
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60 V dc
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柵極偏置電壓(VGG1)
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-8 V至0 V dc
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射頻(RF)輸入功率(RFIN)
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35 dBm
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連續功耗(PDISS) (T = 85°C)（85°C以上以636 mW/°C減額）
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89.4 W
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熱阻，結至焊盤背面(θJC)
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1.57°C/W
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溫度范圍
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存儲
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-55°C至+150°C
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工作溫度
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-40°C至+85°C
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保持百萬小時平均無故障時間(MTTF)的結溫范圍(TJ)
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225°C
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標稱結溫（TCASE = 85°C，VDD = 50 V）
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187°C
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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（基于器件的半導體工藝）。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于氮化鎵(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。
工作溫度范圍
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：
TJ = TCASE + (θJC × PDISS)
= 75°C + (1.57°C/W × 70 W)
= 184.9°C
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：
PDISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)
= 83 W
使用此PDISS 值，可以計算得出225°C結溫，計算公式如下：
TJ = TCASE + (θJC × PDISS)
= 95°C + (1.57°C/W × 83 W) (3)
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封裝的截面原理圖。在本例中，裸片生熱，然后經由封裝和PCB傳輸到散熱器。要確定器件連接處的溫度，必須計算熱阻。利用熱阻與熱流，可計算得出結溫。然后將結溫與最大指定結溫進行比較，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：
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材料
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熱導率(W/inK)
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銅(Cu)
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10.008
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鋁(Al)
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5.499
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Rogers 4350 (RO4350)
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0.016
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FR4或G-10層壓材料
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0.008
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氧化鋁(Al2O3)
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0.701
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SN63焊料
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1.270
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導熱環氧樹脂
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0.020
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砷化鎵(GaAs)
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1.501
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模塑料
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0.019
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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。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。對于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，因為對于具有金屬塊的LFCSP和法蘭封裝，θJA要遠大于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，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 × (rO2 – rI2) (6)
其中：
rO表示外徑。
rI表示內徑。
外徑為0.006英寸，內徑為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，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（θPCB、θVIACU和θVIASN63）并聯組合之后為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，加上熱阻串聯的值，可以得出整個PCB總成的熱阻。
θASSY = θSN63 + θCU + θEQUIV + θCU = 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 = PINTOTAL − POUTTOTAL = (PINRF + PINDC) − POUTRF (11)
其中：
PINTOTAL表示直流功率和RF輸入功率之和。
POUTTOTAL表示器件輸出的功率，與POUTRF相同。
PINRF表示RF輸入功率。
PINDC表示直流輸入功率。
POUTRF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PDISS的值。圖4顯示了放大器的以下特性：
- < >4 W功率，無RF輸入信號。< >RF信號時，PDISS的值由頻率決定。< >
描述
值
單位
注釋
散熱器最高溫度
70
°C
θASSY
5.81
°C/W
從等效熱電路計算得出
θJC
13.79
°C/W
來自數據手冊
θTOTAL
19.6
°C/W
添加θASSY和θJC
Q
4.0
W
得出的結溫
148.4
°C
散熱器最高溫度 + (θTOTAL × Q)；不超過數據手冊中列出的最大通道溫度
可靠性
組件的預期壽命與工作溫度密切相關。在低于最大結溫的溫度下運行可以延長器件的使用壽命。超過最大結溫會縮短使用壽命。因此，實施熱分析可以確保在預期的操作條件下不會超過指定的最大結溫。
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)。只要不超過最大結溫，那么其他標稱限值，例如TCASE，則可以高于限值。
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