采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算
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(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。
在图1中，器件连接处到散热器的散热路径定义如下：
• θja是器件连接处到封装顶部周围空气的热阻。
• θjc是连接处到外壳（封装底部的金属块）的热阻。
• θsn63是焊料的热阻。
• θcu是pcb上镀铜的热阻。
• θviacu是通孔上镀铜的热阻。
• θviasn63是通孔中填充的焊料的热阻。
• θpcb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。
表2.常用pcb材料的热导率
材料 热导率(w/ink)
铜(cu) 10.008
铝(al) 5.499
rogers 4350 (ro4350) 0.016
fr4或g-10层压材料 0.008
氧化铝(al2o3) 0.701
sn63焊料 1.270
导热环氧树脂 0.020
砷化镓(gaas) 1.501
模塑料 0.019
图2基于图1中所示的热模型，显示等效的热电路。tpkg表示封装底部的温度，tsink表示散热器的温度。在图2中，假设封装(ta)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，ta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，θja要远大于θjc。
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θsn63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 × (ro2 – ri2) (6)
其中：
ro表示外径。
ri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，θviacu = 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θviasn63 = 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（θpcb、θviacu和θviasn63）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。
θassy = θsn63 + θcu + θequiv + θcu = 0.372 + 0.038 + 5.37 + 0.038 = 5.81°c/w (10)
其中，θassy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 = pintotal − pouttotal = (pinrf + pindc) − poutrf (11)
其中：
pintotal表示直流功率和rf输入功率之和。
pouttotal表示器件输出的功率，与poutrf相同。
pinrf表示rf输入功率。
pindc表示直流输入功率。
poutrf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pdiss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，pdiss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、θtotal和q，可以使用以下公式计算得出结温
δt = q × θtotal (12)
θtotal = θassy + θjc = 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pdiss = 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pdiss升高，且要求散热器的温度低于71.6°c。
表3.热工作数据表
描述 值 单位 注释
散热器最高温度 70 °c
θassy 5.81 °c/w 从等效热电路计算得出
θjc 13.79 °c/w 来自数据手册
θtotal 19.6 °c/w 添加θassy和θjc
q 4.0 w
得出的结温 148.4 °c 散热器最高温度 + (θtotal × q)；不超过数据手册中列出的最大通道温度
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，θjc 取代θja，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(tj)。只要不超过最大结温，那么其他标称限值，例如tcase，则可以高于限值。
5G助力加速开放计算落地传统行业
苹果成长最快的Apple Watch、AirPods及HomePod面临被课征10%关税
大电流弹片微针模组在3C锂电池的测试中十分重要
工信部：支持北京打造全球最大的5G试验外场
第十届G20-LED峰会第1次CEO会议在深圳机场凯悦酒店隆重举行
采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算
2018年独角兽行业分布：汽车交通业数量最多，金融业合计估值最高
什么是“五级工程师”？你处在哪一级？
嵌入式系统的自我测试过程
2016全球手机、PC及平板将连续下滑
无功补偿装置装设在变压器高低压侧的区别
Type-C双电池快充解决方案
Spark优化：小文件合并的步骤
nanoWatt XLP技术在单片机上的引用
正科无刷直流电机怎么样 高效和长寿命兼具
利用AI技术将有助于增强NASA天基通信网络的效能
在虚拟现实方面，微软没有动摇标签
国际厂商深入布局“人工智能+自动驾驶”
飞机自动驾驶系统已经相对成熟 但安全性始终需要时刻警惕
微软终止Win7嵌入式系统支持 付费可买三年补丁
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(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。
在图1中，器件连接处到散热器的散热路径定义如下：
• θja是器件连接处到封装顶部周围空气的热阻。
• θjc是连接处到外壳（封装底部的金属块）的热阻。
• θsn63是焊料的热阻。
• θcu是pcb上镀铜的热阻。
• θviacu是通孔上镀铜的热阻。
• θviasn63是通孔中填充的焊料的热阻。
• θpcb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。
表2.常用pcb材料的热导率
材料 热导率(w/ink)
铜(cu) 10.008
铝(al) 5.499
rogers 4350 (ro4350) 0.016
fr4或g-10层压材料 0.008
氧化铝(al2o3) 0.701
sn63焊料 1.270
导热环氧树脂 0.020
砷化镓(gaas) 1.501
模塑料 0.019
图2基于图1中所示的热模型，显示等效的热电路。tpkg表示封装底部的温度，tsink表示散热器的温度。在图2中，假设封装(ta)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，ta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，θja要远大于θjc。
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θsn63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 × (ro2 – ri2) (6)
其中：
ro表示外径。
ri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，θviacu = 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θviasn63 = 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（θpcb、θviacu和θviasn63）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。
θassy = θsn63 + θcu + θequiv + θcu = 0.372 + 0.038 + 5.37 + 0.038 = 5.81°c/w (10)
其中，θassy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 = pintotal − pouttotal = (pinrf + pindc) − poutrf (11)
其中：
pintotal表示直流功率和rf输入功率之和。
pouttotal表示器件输出的功率，与poutrf相同。
pinrf表示rf输入功率。
pindc表示直流输入功率。
poutrf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pdiss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，pdiss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、θtotal和q，可以使用以下公式计算得出结温
δt = q × θtotal (12)
θtotal = θassy + θjc = 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pdiss = 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pdiss升高，且要求散热器的温度低于71.6°c。
表3.热工作数据表
描述 值 单位 注释
散热器最高温度 70 °c
θassy 5.81 °c/w 从等效热电路计算得出
θjc 13.79 °c/w 来自数据手册
θtotal 19.6 °c/w 添加θassy和θjc
q 4.0 w
得出的结温 148.4 °c 散热器最高温度 + (θtotal × q)；不超过数据手册中列出的最大通道温度
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，θjc 取代θja，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(tj)。只要不超过最大结温，那么其他标称限值，例如tcase，则可以高于限值。
5G助力加速开放计算落地传统行业
苹果成长最快的Apple Watch、AirPods及HomePod面临被课征10%关税
大电流弹片微针模组在3C锂电池的测试中十分重要
工信部：支持北京打造全球最大的5G试验外场
第十届G20-LED峰会第1次CEO会议在深圳机场凯悦酒店隆重举行
采用LFCSP和法兰封装的RF放大器的热管理计算
2018年独角兽行业分布：汽车交通业数量最多，金融业合计估值最高
什么是“五级工程师”？你处在哪一级？
嵌入式系统的自我测试过程
2016全球手机、PC及平板将连续下滑
无功补偿装置装设在变压器高低压侧的区别
Type-C双电池快充解决方案
Spark优化：小文件合并的步骤
nanoWatt XLP技术在单片机上的引用
正科无刷直流电机怎么样 高效和长寿命兼具
利用AI技术将有助于增强NASA天基通信网络的效能
在虚拟现实方面，微软没有动摇标签
国际厂商深入布局“人工智能+自动驾驶”
飞机自动驾驶系统已经相对成熟 但安全性始终需要时刻警惕
微软终止Win7嵌入式系统支持 付费可买三年补丁