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射频模块缩小也能提高热性能,“薄型化已成趋势”

2024-02-09 08:44:35 Bill Schweber 阅读:
封装创新一直是元件冷却的关键,尤其是对于 MOSFET 和 IGBT 等功率开关器件。尽管射频功率放大器模块的内部工作原理与功率器件的开/关非常不同,但将这些器件做得更小更轻的要求同样适用于射频功率放大器模块。由于大规模多输入多输出5G MIMO系统的多通道要求,这种 "做得更小,但做得更多 "的需求尤其强烈。

封装创新一直是元件冷却的关键,尤其是对于 MOSFET 和 IGBT 等功率开关器件。尽管射频功率放大器模块的内部工作原理与功率器件的开/关非常不同,但将这些器件做得更小更轻的要求同样适用于射频功率放大器模块。由于大规模多输入多输出5G MIMO系统的多通道要求,这种 "做得更小,但做得更多 "的需求尤其强烈。DWcednc

尽管如此,在谈到封装细节时,设计人员最关心的是 "它对我有什么作用?"而不是 "你是怎么做到的?" 然而,"怎么做 "这一部分非常重要,因为它定义了更新部件的功能,并为未来在此基础上的创新奠定了基础。DWcednc

一个很好的例子是恩智浦半导体公司于2023年推出的RF功率放大器(PA)模块的顶侧冷却(TSC)。这一进步并不是“嘿,我们正在开发一个新封装”,而是与可交付的部件相结合——在发布前宣传和推广被认为是正常的世界里,这是一个很大的优势。DWcednc

恩智浦的封装技术使射频功率放大器模块比现有设计更薄、更轻,同时具有更好的散热路径。这种顶部冷却与传统的底部冷却(BSC)形成鲜明对比,后者是通过导热路径将封装元件(主要是功率放大器本身)的热量传递到印刷电路板,而印刷电路板则热粘合到冷板或散热器上。虽然 TSC 并非恩智浦所独有(其他供应商的实现方式略有不同),但恩智浦的方法很能说明问题,如图 1 所示。DWcednc

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图 1 与底部冷却方法(左)相比,恩智浦的顶部冷却(右)翻转了散热硬币以及有源和无源元件的位置,使封装更薄、导热性更强。资料来源:恩智浦DWcednc

在通常的 BSC 方法中,PA 的耗散通过 PCB 中的金属“硬币”传导,然后传导至电路板下侧的散热器。相关模块组件(包括 PA、环行器和滤波器)安装在电路板的顶部,并且全部由 RF 电磁 (EM) 屏蔽覆盖。为了完成信号路径,天线阵列被连接到电路板上。DWcednc

相比之下,在 TSC 中,PA 芯片与封装顶部的直接粘接铜陶瓷基板相连。芯片安装在电路板表面,从而与外部散热器直接接触。这种布置的好处在于,它可以最大限度地提高耗散和热性能,同时缩小封装,提高功能密度。DWcednc

具体来说,在 TSC 封装中,封装顶部的器件散热器通过 TIM 直接与外部散热器相连,同时循环器和介质滤波器也安装在那里。因此,所有 RF 组件都位于 PCB 的一侧。同时,屏蔽层集成到散热器中,而不是PCB 的顶部,这使得天线更靠近电路板,并且热路径和 RF 路径完全分离。整体设计缩短了连接器的长度,提高了射频性能,同时降低了整体组件的厚度和重量。DWcednc

相比之下,由于模块元件只能放置在电路板的一侧,因此底部冷却是热性能和电路板面积利用之间的折衷方案。其结果是降低了电路板的功能密度,同时又要支持多个射频通道。DWcednc

TSC 不仅仅是一项初步研究,也不是样品原型。A5M35TG140-TC 等现成的射频功率模块适用于 32T32R 级 200 瓦 5G 无线电设备,频率范围为 3.3 GHz 至 3.8 GHz。这些器件结合了 LDMOS 和 GaN 半导体技术,打造出 10.5 W(平均值)的全集成 Doherty 功率放大器,具有 ~30 dB 增益和 46% 效率,以及 400 MHz 的瞬时带宽,封装尺寸仅为 14mm × 10mm × 2 mm(图 2)。DWcednc

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图 2 A5M35TG140-TC 是三个类似的多 GHz 功率放大器模块之一,每个模块的原理图都很简单,无法显示其复杂的底层工艺或先进的封装实施。资料来源:恩智浦DWcednc

还有一些评估板可简化评估功率放大器模块性能和特性的设计任务,而不必 "重新发明 "看起来相对简单的原理图和布局,因为这些原理图和布局不可避免地存在射频方面的微妙之处,图 3。DWcednc

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图 3 供应商提供的评估板对加快评估和设计过程至关重要。资料来源:恩智浦DWcednc

所有这些封装方面的实质性改进仍然留下了一个令人难以回避的散热问题:所有散热都被传送到了那个被称为 "远离 "的神秘而美妙的地方?除了缩小封装本身之外,如果能更好地将热量从封装中带走,那么你是否会把以前的散热问题变成别人的头疼问题,因为他们现在必须与你扔掉的热量作斗争?或者说,无论如何你都会有这样的总热量,只是在印刷电路板上和机箱内的分布不同而已?您是否看到过其他令您印象深刻的非开关设备的电源模块开发?DWcednc

原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:“Thin is in” as RF-module shrinkage also enhances thermal performance;Demi Xia编译DWcednc

责编:Demi
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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