采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算

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。