CATV系統(tǒng)中MMIC線路放大器的散熱解決方案

David Cheskis 和 Charles Armour，ANADIGICS

2013 年 3 月

前言

CATV 系統(tǒng)需要具有高線性度和高輸出功率的放大器以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻和數(shù)據(jù)。由于 CATV 系統(tǒng)已發(fā)展到可融合更多的頻道并提供更高的數(shù)據(jù)速率，因此工作頻率、功率水平和失真水平會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)放大器中最具挑戰(zhàn)性的元件是功率倍增線路放大器，因?yàn)槠涔ぷ麟妷簽?24 伏并會(huì)消耗超過 10 瓦的功率來實(shí)現(xiàn)所需的性能。有效消除這些元件所產(chǎn)生的熱量是確保最佳性能、長(zhǎng)使用壽命以及高可靠性的關(guān)鍵。



圖2：線路放大器混合模塊

保持元件低工作溫度的通用方法是使用一個(gè)帶內(nèi)置散熱器的線路放大器混合模塊（如圖 1 所示）。這可確保低溫度，因?yàn)榉糯笃髟苯优c大鋁塊連接，而鋁塊又與系統(tǒng)放大器外殼或底座接觸。這就在便利封裝中為帶散熱性能的電氣性能提供了完整的解決方案，并且目前在許多系統(tǒng)中普遍使用。此方法的局限性在于成本、尺寸和制造復(fù)雜性。



圖4：MMIC 線路放大器

為了克服這些局限性，我們開發(fā)了一種易于使用的，定制的解決方案以適應(yīng)系統(tǒng)放大器底座和 MMIC 功率倍增線路放大器的 PCB（如圖 2 所示）。MMIC 將放大器的關(guān)鍵元件整合到一個(gè)緊湊的封裝中，從而具有低成本、更小的電路板尺寸和更大的制造靈活性。MMIC 設(shè)計(jì)成包含一個(gè)散熱片的定制引腳封裝，以便獲得此性能。

本文提出了一些解決方案，使 MMIC 線路放大器可在目前使用線路放大器混合模塊的系統(tǒng)中使用。我們將展示可將 MMIC 工作溫度維持在混合模塊的溫度或以下，從而保持性能并確保高可靠性。
MMIC 散熱器解決方案

在 PCB 上使用 MMIC 線路放大器功率倍增器需要優(yōu)化散熱器，以便消耗 MMIC 正下方至少 10 瓦的功率。有兩種方法提供此散熱器：1) 直接內(nèi)置到底座中，2) 采用一個(gè)適配器塊。以下提出了三種方法來適應(yīng)底座，為 MMIC 提供優(yōu)良的散熱器，這些方法易于使用并使系統(tǒng)成本較低。這些方法對(duì)不同類型的散熱器（平板或帶底座）、PCB 與散熱器塊不同方式的連接以及 MMIC 與散熱器不同方式的接觸進(jìn)行了組合。三種方法的總結(jié)如表 1 中所示。

表1：散熱方法總結(jié)

方法 1

使用標(biāo)準(zhǔn)回流焊連接工藝將 MMIC 連接到 PCB 上，并且 PCB 設(shè)計(jì)有通孔，可形成通過電路板的熱流量。32 個(gè)通孔的直徑為 0.89 mm 并在定制 MMIC 散熱片下呈 4x8 矩形樣式。在 PCB 和底座之間插入一個(gè)平板塊以形成散熱器。在 PCB 和塊之間涂上導(dǎo)熱膏并使用螺釘為 PCB 下的平板塊提供附加的散熱接觸。圖 3 顯示了方法 1 的詳情，包括芯片和 PCB 的剖視圖以及系統(tǒng)的散熱模型。散熱模型顯示了對(duì)系統(tǒng)中的熱阻有貢獻(xiàn)的所有元件。


圖5：方法 1 詳情

方法 2

使用標(biāo)準(zhǔn)回流焊連接工藝將 MMIC 連接到 PCB 上，并且 PCB 設(shè)計(jì)有通孔，可形成通過電路板的熱流量。32 個(gè)通孔的直徑為 0.89 mm 并在定制 MMIC 散熱片下呈 4x8 矩形樣式。在 PCB 和底座之間插入一個(gè)平板塊以形成散熱器。將 PCB 和塊之間的導(dǎo)熱膏換為焊料并再次使用螺釘為 PCB 下的平板塊提供附加的散熱接觸。圖 4 顯示了方法 2 的詳情，包括芯片和 PCB 的剖視圖以及系統(tǒng)的散熱模式。此散熱模型類似于方法 1，具有相似數(shù)量的元件。整體熱阻較低，因?yàn)樘鎿Q導(dǎo)熱墊（膏）的焊料具有較低的熱阻。


圖7：方法 2 詳情

方法 3

MMIC 通過 PCB 中的一個(gè)孔直接連接散熱器。散熱器具有一個(gè)底座，使定制 MMIC 散熱片正好靠在帶導(dǎo)熱膏的散熱器底座上，為散熱器提供散熱接觸。圖 5 顯示了方法 3 的詳情，包括芯片和 PCB 的剖視圖以及系統(tǒng)的散熱模型。如散熱模型中所示，此方法具有最低的熱阻，具有最少的熱阻元件，每個(gè)元件都具有低的熱阻值。



圖9：方法 3 詳情

結(jié)果

對(duì)使用三種方法連接的 ANADIGICS ACA2407 MMIC 線路放大器進(jìn)行了溫度測(cè)量。MMIC 在標(biāo)準(zhǔn) 62 密耳厚的 PCB 上的工作電壓和電流為 24 伏和 430 mA，總耗散功率為 10.32 瓦。在 MMIC 的引腳 1 附近測(cè)量溫度升高，施加直流電源并且無射頻功率。圖 6 顯示了 3 種方法以及具有類似功率耗散的混合模塊在類似位置的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果表明所有三種方法都具有極好的散熱效果。方法 2 和方法 3 獲得的結(jié)果與參照混合模塊類似，而方法 3 可獲得比混合模塊更低的溫度（低 8.3 ℃）。



圖11：MMIC 散熱器測(cè)試的結(jié)果

總結(jié)

方法 3，芯片通過 PCB 直接連接，將 PCB 用螺釘連接到底座散熱器上，可提供最低溫度的 MMIC 并且溫度比混合模塊更低。表 2 總結(jié)了與參照混合模塊相比，各種方法的散熱性能。

表3：結(jié)果總結(jié)

除了可提供卓越的散熱性能外，方法 3 還是一種在制造環(huán)境中容易實(shí)施的解決方案，并能提供最低成本的解決方案。每種方法都提供了非常良好的散熱性能和高可靠性解決方案，從而在系統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)和制造過程中具有靈活性。如果散熱器直接鑄造在底座上，將 MMIC 與散熱器連接的三種方法中的每一種也都適用。



圖14：帶加固條的 MMIC