CATV系統中MMIC線(xiàn)路放大器的散熱解決方案

David Cheskis 和 Charles Armour，ANADIGICS

2013 年 3 月

前言

CATV 系統需要具有高線(xiàn)性度和高輸出功率的放大器以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻和數據。由于 CATV 系統已發(fā)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(huì )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(xiàn)路放大器，因為其工作電壓為 24 伏并會(huì )消耗超過(guò) 10 瓦的功率來(lái)實(shí)現所需的性能。有效消除這些元件所產(chǎn)生的熱量是確保最佳性能、長(cháng)使用壽命以及高可靠性的關(guān)鍵。



圖2：線(xiàn)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)帶內置散熱器的線(xiàn)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(xiàn)路放大器

為了克服這些局限性，我們開(kāi)發(fā)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(xiàn)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 設計成包含一個(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(xiàn)路放大器可在目前使用線(xiàn)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(xiàn)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(lái)適應底座，為 MMIC 提供優(yōu)良的散熱器，這些方法易于使用并使系統成本較低。這些方法對不同類(lèi)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。三種方法的總結如表 1 中所示。

表1：散熱方法總結

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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò) 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(gè)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(xiàn)路放大器進(jìn)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(wú)射頻功率。圖 6 顯示了 3 種方法以及具有類(lèi)似功率耗散的混合模塊在類(lèi)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(lèi)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(guò) 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

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，從而在系統放大器的設計和制造過(guò)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