David Cheskis 和 Charles Armour，ANADIGICS
2013 年 3 月
前言
CATV系统需要具有高线性度和高输出功率的放大器以通过网络传输视频和数据。由于 CATV 系统已发展到可融合更多的频道并提供更高的数据速率，因此工作频率、功率水平和失真水平会变得更具挑战性。系统放大器中最具挑战性的元件是功率倍增线路放大器，因为其工作电压为 24 伏并会消耗超过 10 瓦的功率来实现所需的性能。有效消除这些元件所产生的热量是确保最佳性能、长使用寿命以及高可靠性的关键。
图2：线路放大器混合模块
保持元件低工作温度的通用方法是使用一个带内置散热器的线路放大器混合模块（如图 1 所示）。这可确保低温度，因为放大器元件直接与大铝块连接，而铝块又与系统放大器外壳或底座接触。这就在便利封装中为带散热性能的电气性能提供了完整的解决方案，并且目前在许多系统中普遍使用。此方法的局限性在于成本、尺寸和制造复杂性。
图4：MMIC 线路放大器
为了克服这些局限性，我们开发了一种易于使用的，定制的解决方案以适应系统放大器底座和 MMIC 功率倍增线路放大器的 PCB（如图 2 所示）。MMIC 将放大器的关键元件整合到一个紧凑的封装中，从而具有低成本、更小的电路板尺寸和更大的制造灵活性。MMIC 设计成包含一个散热片的定制引脚封装，以便获得此性能。
本文提出了一些解决方案，使 MMIC 线路放大器可在目前使用线路放大器混合模块的系统中使用。我们将展示可将 MMIC 工作温度维持在混合模块的温度或以下，从而保持性能并确保高可靠性。
MMIC 散热器解决方案
在 PCB 上使用 MMIC 线路放大器功率倍增器需要优化散热器，以便消耗 MMIC 正下方至少 10 瓦的功率。有两种方法提供此散热器：1) 直接内置到底座中，2) 采用一个适配器块。以下提出了三种方法来适应底座，为 MMIC 提供优良的散热器，这些方法易于使用并使系统成本较低。这些方法对不同类型的散热器（平板或带底座）、PCB 与散热器块不同方式的连接以及 MMIC 与散热器不同方式的接触进行了组合。三种方法的总结如表 1 中所示。
表1：散热方法总结
方法 |
PCB 连接 |
MMIC 接触 |
1 |
用螺钉连接到平板块上 |
通过孔 |
2 |
焊接到平板块上 |
通过孔 |
3 |
用螺钉连接到带底座的块上 |
直接接触块 |
参照 |
混合模块直接连接到底座上 |
与混合块接触 |
方法 1
使用标准回流焊连接工艺将 MMIC 连接到 PCB 上，并且 PCB 设计有通孔，可形成通过电路板的热流量。32 个通孔的直径为 0.89 mm 并在定制 MMIC 散热片下呈 4x8 矩形样式。在 PCB 和底座之间插入一个平板块以形成散热器。在 PCB 和块之间涂上导热膏并使用螺钉为 PCB 下的平板块提供附加的散热接触。图 3 显示了方法 1 的详情，包括芯片和 PCB 的剖视图以及系统的散热模型。散热模型显示了对系统中的热阻有贡献的所有元件。
图5：方法 1 详情
方法 2
使用标准回流焊连接工艺将 MMIC 连接到 PCB 上，并且 PCB 设计有通孔，可形成通过电路板的热流量。32 个通孔的直径为 0.89 mm 并在定制 MMIC 散热片下呈 4x8 矩形样式。在 PCB 和底座之间插入一个平板块以形成散热器。将 PCB 和块之间的导热膏换为焊料并再次使用螺钉为 PCB 下的平板块提供附加的散热接触。图 4 显示了方法 2 的详情，包括芯片和 PCB 的剖视图以及系统的散热模式。此散热模型类似于方法 1，具有相似数量的元件。整体热阻较低，因为替换导热垫（膏）的焊料具有较低的热阻。
图7：方法 2 详情
方法 3
MMIC 通过 PCB 中的一个孔直接连接散热器。散热器具有一个底座，使定制 MMIC 散热片正好靠在带导热膏的散热器底座上，为散热器提供散热接触。图 5 显示了方法 3 的详情，包括芯片和 PCB 的剖视图以及系统的散热模型。如散热模型中所示，此方法具有最低的热阻，具有最少的热阻元件，每个元件都具有低的热阻值。
图9：方法 3 详情
结果
对使用三种方法连接的 ANADIGICS ACA2407 MMIC 线路放大器进行了温度测量。MMIC 在标准 62 密耳厚的 PCB 上的工作电压和电流为 24 伏和 430 mA，总耗散功率为 10.32 瓦。在 MMIC 的引脚 1 附近测量温度升高，施加直流电源并且无射频功率。图 6 显示了 3 种方法以及具有类似功率耗散的混合模块在类似位置的测量结果。测量结果表明所有三种方法都具有极好的散热效果。方法 2 和方法 3 获得的结果与参照混合模块类似，而方法 3 可获得比混合模块更低的温度（低 8.3 ℃）。
图11：MMIC 散热器测试的结果
总结
方法 3，芯片通过 PCB 直接连接，将 PCB 用螺钉连接到底座散热器上，可提供最低温度的 MMIC 并且温度比混合模块更低。表 2 总结了与参照混合模块相比，各种方法的散热性能。
表3：结果总结
方法 |
温度升高 (°C) |
散热性能 |
可制造性 |
成本 |
1 |
43.1 |
良好 |
容易 |
低成本 |
2 |
40 |
更好 |
困难 |
中等 |
3 |
30.5 |
最好 |
容易 |
低成本 |
参照 |
38.8 |
更好 |
容易 |
高成本 |
除了可提供卓越的散热性能外，方法 3 还是一种在制造环境中容易实施的解决方案，并能提供最低成本的解决方案。每种方法都提供了非常良好的散热性能和高可靠性解决方案，从而在系统放大器的设计和制造过程中具有灵活性。如果散热器直接铸造在底座上，将 MMIC 与散热器连接的三种方法中的每一种也都适用。
图14：带加固条的 MMIC
用一个定制的加固条将 MMIC 夹紧到散热器上并提供更好的散热接触，可实现散热性能的额外改善。此方法如图 7 中所示，针对 MMIC 尺寸、PCB 布局和散热器解决方案进行了加固条的优化。
结论
我们为实施具有低工作温度和高可靠性的线路放大器功率倍增器 MMIC 提出了制造解决方案。这些解决方案使系统放大器能适应具有内置散热器或适配器的 MMIC 放大器，并可提供易于制造的低成本方式以替代混合模块线路放大器。