采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算
扫描二维码
随时随地手机看文章
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。
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(TCASE)已在封装底座上给出。TCASE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TCASE和PDISS,则很容易计算得出结温(TJ)。例如,如果TCASE=75°C,PDISS=70 W,则可以使用以下公式计算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时,TJ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PDISS,使TJ保持在最大可允许的水平之下,则TCASE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PDISS。例如,使用表1中的数据,当PDISS的限值为83 W时,可允许的最大TCASE为95°C。PDISS可使用以下公式计算:
PDISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)
= 83 W
使用此PDISS 值,可以计算得出225°C结温,计算公式如下:
TJ = TCASE + (θJC × PDISS)
= 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。