David Cheskis 和 Charles Armour，ANADIGICS
2013 年 3 月
前言
CATV 系統需要具有高線性度和高輸出功率的放大器以通過網絡傳輸視頻和數據。由于 CATV 系統已發展到可融合更多的頻道并提供更高的數據速率，因此工作頻率、功率水平和失真水平會變得更具挑戰性。系統放大器中最具挑戰性的元件是功率倍增線路放大器，因為其工作電壓為 24 伏并會消耗超過 10 瓦的功率來實現所需的性能。有效消除這些元件所產生的熱量是確保最佳性能、長使用壽命以及高可靠性的關鍵。
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帶內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，因為放大器元件直接與大鋁塊連接，而鋁塊又與系統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中普遍使用。此方法的局限性在于成本、尺寸和制造復雜性。
圖4：MMIC 線路放大器
為了克服這些局限性，我們開發了一種易于使用的，定制的解決方案以適應系統放大器底座和 MMIC 功率倍增線路放大器的 PCB（如圖 2 所示）。MMIC 將放大器的關鍵元件整合到一個緊湊的封裝中，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 設計成包含一個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) 直接內置到底座中，2) 采用一個適配器塊。以下提出了三種方法來適應底座，為 MMIC 提供優良的散熱器，這些方法易于使用并使系統成本較低。這些方法對不同類型的散熱器（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行了組合。三種方法的總結如表 1 中所示。
表1：散熱方法總結
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方法 |
PCB 連接 |
MMIC 接觸 |
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1 |
用螺釘連接到平板塊上 |
通過孔 |
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2 |
焊接到平板塊上 |
通過孔 |
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3 |
用螺釘連接到帶底座的塊上 |
直接接觸塊 |
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參照 |
混合模塊直接連接到底座上 |
與混合塊接觸 |
方法 1
使用標準回流焊連接工藝將 MMIC 連接到 PCB 上，并且 PCB 設計有通孔，可形成通過電路板的熱流量。32 個通孔的直徑為 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平板塊以形成散熱器。在 PCB 和塊之間涂上導熱膏并使用螺釘為 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 的剖視圖以及系統的散熱模型。散熱模型顯示了對系統中的熱阻有貢獻的所有元件。
圖5：方法 1 詳情
方法 2
使用標準回流焊連接工藝將 MMIC 連接到 PCB 上，并且 PCB 設計有通孔，可形成通過電路板的熱流量。32 個通孔的直徑為 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平板塊以形成散熱器。將 PCB 和塊之間的導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 的剖視圖以及系統的散熱模式。此散熱模型類似于方法 1，具有相似數量的元件。整體熱阻較低，因為替換導熱墊（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 中的一個孔直接連接散熱器。散熱器具有一個底座，使定制 MMIC 散熱片正好靠在帶導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，每個元件都具有低的熱阻值。
圖9：方法 3 詳情
結果
對使用三種方法連接的 ANADIGICS ACA2407 MMIC 線路放大器進行了溫度測量。MMIC 在標準 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量結果。測量結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 散熱器測試的結果
總結
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 總結了與參照混合模塊相比，各種方法的散熱性能。
表3：結果總結
|
方法 |
溫度升高 (°C) |
散熱性能 |
可制造性 |
成本 |
|
1 |
43.1 |
良好 |
容易 |
低成本 |
|
2 |
40 |
更好 |
困難 |
中等 |
|
3 |
30.5 |
最好 |
容易 |
低成本 |
|
參照 |
38.8 |
更好 |
容易 |
高成本 |
除了可提供卓越的散熱性能外，方法 3 還是一種在制造環境中容易實施的解決方案，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，從而在系統放大器的設計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
用一個定制的加固條將 MMIC 夾緊到散熱器上并提供更好的散熱接觸，可實現散熱性能的額外改善。此方法如圖 7 中所示，針對 MMIC 尺寸、PCB 布局和散熱器解決方案進行了加固條的優化。
結論
我們為實施具有低工作溫度和高可靠性的線路放大器功率倍增器 MMIC 提出了制造解決方案。這些解決方案使系統放大器能適應具有內置散熱器或適配器的 MMIC 放大器，并可提供易于制造的低成本方式以替代混合模塊線路放大器。