本應(yīng)用筆記介紹熱阻概念，并且提供一種技術(shù)，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(dòng)建模。

熱概念回顧

熱流

材料不同區(qū)域之間存在溫度差時(shí)，熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。這一過程與電流類似，電流經(jīng)由電路，從高電勢區(qū)域流向低電勢區(qū)域。

熱阻

所有材料都具有一定的導(dǎo)熱性。熱導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)熱能力的標(biāo)準(zhǔn)。熱導(dǎo)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(dǎo)率，則采用以下公式，以C/W或K/W為單位計(jì)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(dǎo)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(dòng)的材料的溫差如下：

∆T = Q × θ(2)

其中：

∆T表示材料不同區(qū)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(dāng)復(fù)雜，往往與溫度呈非線性關(guān)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(shù)可以確定器件連接處的溫度和操作期間封裝的溫度?；谶@些分析和測量結(jié)果，可以確定等效的熱阻。在對器件實(shí)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。

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(jié)溫

在給定的數(shù)據(jù)手冊中，會在絕對最大額定值表中給出每個(gè)產(chǎn)品的最大結(jié)溫(基于器件的半導(dǎo)體工藝)。在表1中，指定的維持百萬小時(shí)MTTF的最大結(jié)溫為225℃。指定的這個(gè)溫度一般適用于氮化鎵(GaN)器件。超過這個(gè)限值會導(dǎo)致器件的壽命縮短，且出現(xiàn)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(jì)算得出結(jié)溫(TJ)。例如，如果TCASE=75°C，PDISS=70 W，則可以使用以下公式計(jì)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(shí)，TJ是最重要的規(guī)格參數(shù)，決不能超過此數(shù)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(dāng)外殼溫度超過指定的最大值85°C時(shí)，可使用減額值636 mW/°C來計(jì)算最大可允許的PDISS。例如，使用表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)PDISS的限值為83 W時(shí)，可允許的最大TCASE為95°C。PDISS可使用以下公式計(jì)算：

PDISS = 89.4 W − (636 mW/°C × 10°C)

= 83 W

使用此PDISS 值，可以計(jì)算得出225°C結(jié)溫，計(jì)算公式如下：

TJ = TCASE + (θJC × PDISS)

= 95°C + (1.57°C/W × 83 W)(3)

器件和PCB環(huán)境的熱模型

為了充分了解器件周圍的整個(gè)熱環(huán)境，必須對器件的散熱路徑和材料進(jìn)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(jīng)由封裝和PCB傳輸?shù)缴崞?。要確定器件連接處的溫度，必須計(jì)算熱阻。利用熱阻與熱流，可計(jì)算得出結(jié)溫。然后將結(jié)溫與最大指定結(jié)溫進(jìn)行比較，以確定器件是否可靠地運(yùn)行。