eng
Выпуск #5/2017
А.Лезинов
Расчет теплового сопротивления между переходом СВЧ МИС на печатной плате и окружающей средой
Расчет теплового сопротивления между переходом СВЧ МИС на печатной плате и окружающей средой
Просмотры: 2657
Рассмотрен простой метод расчета теплового сопротивления между переходом СВЧ МИС, расположенной на печатной плате (ПП), и окружающей средой. Отмечено, что данный метод позволяет достаточно точно оценить тепловое сопротивление ПП, тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой, а также температуру перехода.
УДК 621.38
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.165.5.116.118
УДК 621.38
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.165.5.116.118
Теги: microwave monolithic ic printed circuit board thermal resistance печатная плата свч монолитная интегральная схема (мис) тепловое сопротивление
Метод расчета проиллюстрируем на примере СВЧ МИС усилителя PHA‑1+ компании Mini-Circuits. Перегрев ПП относительно корпуса устройства будет рассчитан на основе теплового сопротивления топологии ПП и измерен посредством термографии. Результаты вычислений и измерений затем будут сопоставлены для проверки точности расчетного метода.[1]
Корпусированная СВЧ МИС представляет собой полупроводниковый кристалл, установленный на выводную рамку (рис.1). Кристалл прикреплен к выводной рамке проводящей эпоксидной смолой, электрические соединения между кристаллом и выводной рамкой выполнены проволочной разваркой. Кристалл покрыт заливочным компаундом для защиты от воздействий окружающей среды и загрязнения.
Тепловое сопротивление – это отношение разницы температур (перегрева) к рассеиваемой мощности. Оно имеет размерность °C/Вт. Тепловое сопротивление между "горячим пятном" кристалла и окружающей средой представляет собой ряд последовательных сопротивлений:
• между "горячим пятном" и нижней стороной кристалла (θdie);
• проводящей эпоксидной смолы (θce);
• выводной рамки (θlf);
• припоя на ПП (θsl);
• между верхней и нижней поверхностью ПП (θPCB);
• между ПП и окружающей средой (θPCB–A).
Сумма первых трех составляющих обычно называется тепловым сопротивлением между переходом и корпусом компонента:
θjc = θdie + θce + θlf. (1)
Эта величина обычно указывается производителями компонентов. Для PHA‑1+ она равна 60 °C/Вт. Вклад припоя на ПП (θsl) мал и в этой статье не учитывается. Остается определить тепловое сопротивление ПП, которое зависит от ее конструкции.
Усилитель PHA‑1+ работает от источника питания +5 В и выполнен в стандартном корпусе SOT‑89. Рекомендуемая топология платы для этого компонента представлена на рис.2. Топология должна отвечать требованиям как к электрическим, так и к тепловым характеристикам. Важную роль в обеспечении теплоотвода играют металлизированные переходные отверстия в ПП. Рекомендуемая для PHA‑1+ топология платы содержит семь отверстий под усилителем и вокруг него.
Тепловое сопротивление (θ) одного переходного отверстия может быть вычислено с использованием уравнения:
, (2)
где l – длина отверстия, м; A – площадь его поперечного сечения, м2; k – теплопроводность, Вт/м · К (для меди k = 385 Вт/м · К).
Для незаполненного отверстия:
, (3)
где dο и di – внешний и внутренний диаметры отверстия соответственно, м (разность dο и di – толщина медной металлизации).
Подставляя (3) в (2), получаем:
. (4)
Как видно из (4), тепловое сопротивление снижается, если:
• уменьшается длина отверстия (толщина ПП);
• увеличивается диаметр отверстия dο;
• увеличивается толщина слоя меди (dο – di).
В случае с PHA‑1+ каждое из семи переходных отверстий в рассматриваемой конструкции ПП имеет внешний диаметр dο = 0,02" и толщину слоя меди 0,0014", что дает внутренний диаметр 0,0172". Толщина ПП составляет 0,020". С учетом толщины слоев меди на верхней и нижней поверхностях ПП 0,0014" длина сквозного отверстия равна 0,0228".
Подставив эти значения в уравнение (4), получим, что незаполненное переходное отверстие диаметром 20 мил обладает тепловым сопротивлением 29 °C/Вт. Общее сопротивление всех отверстий вычислим исходя из предположения, что их тепловые сопротивления соединены параллельно. Это дает значение 4,1 °C/Вт. Такой подход не учитывает пространственного распределения отверстий, но служит хорошим приближением первого порядка.
Поскольку тепловое сопротивление является отношением разности температур к рассеиваемой мощности, его значение позволяет оценить перегрев:
. (5)
Здесь Pd – рассеиваемая мощность, определяемая как произведение тока и напряжения для данного компонента. Для усилителя PHA‑1+ напряжение составляет +5 В, ток равен 0,165 А, поэтому рассеиваемая мощность равна 0,825 Вт. Следовательно, перегрев составит:
ΔT = 4,1 °C/Вт · 0,825 Вт = 3,4 °C.
Для проверки точности проведенных вычислений использовалась тестовая СВЧ-сборка TB‑545-1+ для PHA‑1+ (рис.3). К ней было приложено напряжение +5 В, измеренное значение тока составило 0,165 А. После стабилизации температуры была получена термограмма для определения температуры корпуса СВЧ-сборки, ПП, широкого вывода заземления и корпуса PHA‑1+ (рис.4). Результаты расчетов и измерений представлены в таблице.
Измеренная температура (средняя) корпуса TB‑545-1+ составила 32,7 °C (предполагается, что она такая же, как у нижней поверхности ПП), а вывода заземления – 36,1 °C (с учетом пренебрежения тепловым сопротивлением припоя предполагается, что она равна температуре верхней поверхности ПП). Следовательно, разница температур между корпусом сборки и выводом заземления будет равна 3,4 °C, что совпадает с расчетным значением. Таким образом, метод расчета теплового сопротивления, представленный в данной статье, позволяет разработчикам оценить перегрев без использования сложного программного обеспечения для теплового анализа. Это полезный инструмент для того, чтобы минимизировать тепловое сопротивление при разработке ПП.
Приведенные выше расчеты позволяют достаточно точно оценить тепловое сопротивление ПП. Но часто нужно также знать величину теплового сопротивления между переходом и окружающей средой. В случае с PHA‑1+ при температуре окружающей среды 24 °C и измеренной температуре корпуса устройства 32,7 °C разность температур составляет ΔTPCB–A = 8,7 °C.
Следовательно, тепловое сопротивление между корпусом сборки (или нижней поверхностью ПП) и окружающей средой равно:
= 8,7 °C / (5 В · 0,165 А) = 10,5 °C/Вт.
Тогда полное тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой будет иметь значение:
= 60 °C/Вт + 4,1 °C/Вт + 10,5 °C/Вт
= 74,6 °C/Вт.
На основе этого результата можно рассчитать температуру перехода:
= 74,6 °C/Вт · 0,825 Вт + 24 °C = 86,6 °C.
Таким образом, метод, изложенный в статье, можно использовать для вычисления теплового сопротивления ПП и температуры перехода при разработке ПП. В целом, тепловое сопротивление отверстий можно минимизировать, увеличив их число, внешний диаметр и/или толщину слоя меди. Его можно также уменьшить за счет сокращения длины отверстия (толщины ПП).
Материалы предоставлены компанией "ЮЕ-Интернейшнл", официальным дистрибьютором продукции Mini-Circuits в России. По вопросам, связанным с продукцией, обращаться yesupport@yeint.ru/www.yeint.ru.
Корпусированная СВЧ МИС представляет собой полупроводниковый кристалл, установленный на выводную рамку (рис.1). Кристалл прикреплен к выводной рамке проводящей эпоксидной смолой, электрические соединения между кристаллом и выводной рамкой выполнены проволочной разваркой. Кристалл покрыт заливочным компаундом для защиты от воздействий окружающей среды и загрязнения.
Тепловое сопротивление – это отношение разницы температур (перегрева) к рассеиваемой мощности. Оно имеет размерность °C/Вт. Тепловое сопротивление между "горячим пятном" кристалла и окружающей средой представляет собой ряд последовательных сопротивлений:
• между "горячим пятном" и нижней стороной кристалла (θdie);
• проводящей эпоксидной смолы (θce);
• выводной рамки (θlf);
• припоя на ПП (θsl);
• между верхней и нижней поверхностью ПП (θPCB);
• между ПП и окружающей средой (θPCB–A).
Сумма первых трех составляющих обычно называется тепловым сопротивлением между переходом и корпусом компонента:
θjc = θdie + θce + θlf. (1)
Эта величина обычно указывается производителями компонентов. Для PHA‑1+ она равна 60 °C/Вт. Вклад припоя на ПП (θsl) мал и в этой статье не учитывается. Остается определить тепловое сопротивление ПП, которое зависит от ее конструкции.
Усилитель PHA‑1+ работает от источника питания +5 В и выполнен в стандартном корпусе SOT‑89. Рекомендуемая топология платы для этого компонента представлена на рис.2. Топология должна отвечать требованиям как к электрическим, так и к тепловым характеристикам. Важную роль в обеспечении теплоотвода играют металлизированные переходные отверстия в ПП. Рекомендуемая для PHA‑1+ топология платы содержит семь отверстий под усилителем и вокруг него.
Тепловое сопротивление (θ) одного переходного отверстия может быть вычислено с использованием уравнения:
, (2)
где l – длина отверстия, м; A – площадь его поперечного сечения, м2; k – теплопроводность, Вт/м · К (для меди k = 385 Вт/м · К).
Для незаполненного отверстия:
, (3)
где dο и di – внешний и внутренний диаметры отверстия соответственно, м (разность dο и di – толщина медной металлизации).
Подставляя (3) в (2), получаем:
. (4)
Как видно из (4), тепловое сопротивление снижается, если:
• уменьшается длина отверстия (толщина ПП);
• увеличивается диаметр отверстия dο;
• увеличивается толщина слоя меди (dο – di).
В случае с PHA‑1+ каждое из семи переходных отверстий в рассматриваемой конструкции ПП имеет внешний диаметр dο = 0,02" и толщину слоя меди 0,0014", что дает внутренний диаметр 0,0172". Толщина ПП составляет 0,020". С учетом толщины слоев меди на верхней и нижней поверхностях ПП 0,0014" длина сквозного отверстия равна 0,0228".
Подставив эти значения в уравнение (4), получим, что незаполненное переходное отверстие диаметром 20 мил обладает тепловым сопротивлением 29 °C/Вт. Общее сопротивление всех отверстий вычислим исходя из предположения, что их тепловые сопротивления соединены параллельно. Это дает значение 4,1 °C/Вт. Такой подход не учитывает пространственного распределения отверстий, но служит хорошим приближением первого порядка.
Поскольку тепловое сопротивление является отношением разности температур к рассеиваемой мощности, его значение позволяет оценить перегрев:
. (5)
Здесь Pd – рассеиваемая мощность, определяемая как произведение тока и напряжения для данного компонента. Для усилителя PHA‑1+ напряжение составляет +5 В, ток равен 0,165 А, поэтому рассеиваемая мощность равна 0,825 Вт. Следовательно, перегрев составит:
ΔT = 4,1 °C/Вт · 0,825 Вт = 3,4 °C.
Для проверки точности проведенных вычислений использовалась тестовая СВЧ-сборка TB‑545-1+ для PHA‑1+ (рис.3). К ней было приложено напряжение +5 В, измеренное значение тока составило 0,165 А. После стабилизации температуры была получена термограмма для определения температуры корпуса СВЧ-сборки, ПП, широкого вывода заземления и корпуса PHA‑1+ (рис.4). Результаты расчетов и измерений представлены в таблице.
Измеренная температура (средняя) корпуса TB‑545-1+ составила 32,7 °C (предполагается, что она такая же, как у нижней поверхности ПП), а вывода заземления – 36,1 °C (с учетом пренебрежения тепловым сопротивлением припоя предполагается, что она равна температуре верхней поверхности ПП). Следовательно, разница температур между корпусом сборки и выводом заземления будет равна 3,4 °C, что совпадает с расчетным значением. Таким образом, метод расчета теплового сопротивления, представленный в данной статье, позволяет разработчикам оценить перегрев без использования сложного программного обеспечения для теплового анализа. Это полезный инструмент для того, чтобы минимизировать тепловое сопротивление при разработке ПП.
Приведенные выше расчеты позволяют достаточно точно оценить тепловое сопротивление ПП. Но часто нужно также знать величину теплового сопротивления между переходом и окружающей средой. В случае с PHA‑1+ при температуре окружающей среды 24 °C и измеренной температуре корпуса устройства 32,7 °C разность температур составляет ΔTPCB–A = 8,7 °C.
Следовательно, тепловое сопротивление между корпусом сборки (или нижней поверхностью ПП) и окружающей средой равно:
= 8,7 °C / (5 В · 0,165 А) = 10,5 °C/Вт.
Тогда полное тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой будет иметь значение:
= 60 °C/Вт + 4,1 °C/Вт + 10,5 °C/Вт
= 74,6 °C/Вт.
На основе этого результата можно рассчитать температуру перехода:
= 74,6 °C/Вт · 0,825 Вт + 24 °C = 86,6 °C.
Таким образом, метод, изложенный в статье, можно использовать для вычисления теплового сопротивления ПП и температуры перехода при разработке ПП. В целом, тепловое сопротивление отверстий можно минимизировать, увеличив их число, внешний диаметр и/или толщину слоя меди. Его можно также уменьшить за счет сокращения длины отверстия (толщины ПП).
Материалы предоставлены компанией "ЮЕ-Интернейшнл", официальным дистрибьютором продукции Mini-Circuits в России. По вопросам, связанным с продукцией, обращаться yesupport@yeint.ru/www.yeint.ru.
Отзывы читателей
