Metody rozpraszania ciepła z układów RF

Podczas przetwarzania sygnałów w aplikacjach wysokich częstotliwości, a zwłaszcza podczas wzmacniania sygnału RF, generowane są znaczne ilości ciepła, które musi być natychmiastowo i efektywnie odprowadzone od komponentów. Układy RF są bardzo często zbudowane w specjalnych ekranowanych obudowach (Rysunek 1). W efekcie, zamontowanie elementów chłodzących komponenty wymagające obniżenia temperatury jest niezwykle trudne, bądź też odprowadzanie ciepła z komponentu jest niewystarczające. Rysunek 1: Wzmacniacz mocy RF W technologii RF, ciepło z tranzystorów mocy standardowo rozpraszane jest poprzez bazę komponentu do elementów odprowadzających ciepło, takich jak przykładowo obudowa, do budowy których stosuje się wówczas materiały o dużym przewodnictwie cieplnym. Zasada ta pozwala integrować systemy rozpraszające ciepło z mechaniczną konstrukcją obwodu RF. Dla celów rozpraszania ciepła, cały obwód jest często montowany na grubym metalowym podkładzie. Dostępne są różne metody; przykładowo surowe płytki mogą być zespolone z elementem odprowadzającym ciepło lub może on być przymocowany śrubami dopiero po montażu płytki. Wiadomo z doświadczenia, iż metody te wymagają dużo czasu i wysiłku, zwłaszcza w przypadkach dużych płytek i konieczności sprostania wysokim standardom jakości. Z tych też względów, opracowano metodę i modele, pozwalające na integrację lokalnych elementów rozpraszających ciepło ze strukturą obwodu RF w fazie produkcji. Pre-bonded / post-bonded Niektórzy producenci materiałów oferują wyroby, które od razu są laminowane wraz z warstwą metalową, odprowadzającą ciepło. Substrat RF jest ulokowany bezpośrednio na grubej warstwie metalu, bez innych warstw rozdzielających. Warstwa metalowa może być wykonana z miedzi, aluminium lub mosiądzu. Ta złożona struktura nazywana jest techniką ‘pre-bonded’. Rysunek 2: Substrat RF z warstwą metalową. Rysunek 2 przedstawia taki substrat RF ‘pre-bonded’ z grubą warstwą miedzi. Taki materiał bazowy podlega dalszym procesom jak układ dwustronny. Mogą być na nim wykonane zarówno ślepe przelotki jak i pełne. Jednakże, obróbka substratów z metalowym podkładem, którego grubość sięga typowo od 1 do 3 mm, jest bardzo czasochłonna. Materiałami wyjściowymi dla produkcji takiej dwuwarstwowej struktury jest relatywnie miękki substrat oraz gruba, metalowa płachta. Optymalne parametry dla procesów mechanicznych w przypadku tych dwóch materiałów bardzo się różnią. Z tego też powodu, podczas procesów należy dokonywać pewnych kompromisów lub używać specjalnego sprzętu czy dedykowanych ustawień maszyn. Również same metale mają bardzo różne właściwości nakładania powłok. Zwykle miedź czy mosiądz mogą być pokrywane bez przeszkód, jednak aluminium wymaga już specjalnych przygotowań i powłok przez samym procesem pokrywania miedzią. Podobnie ma się rzecz w przypadku wykończenia powierzchni. Co więcej, konstrukcje ‘pre-bonded’ są zwykle bardziej kosztowne, niż materiały produkowane osobno. W metodzie ‘post-bonded’, obwód RF jest połączony warstwą klejącą z osobno wykonanym elementem odprowadzającym ciepło. Film klejący obie części może być też dobrany zgodnie z konkretnymi wymaganiami: może przewodzić prąd, ciepło lub może separować całkowicie oba elementy. Filmy zapewniające przewodnictwo elektryczne lub cieplne są zwykle stosowane w konstrukcji wzmacniaczy mocy RF. Jako iż warstwa przewodzi prąd, element odprowadzający ciepło jest połączony elektrycznie również z podstawą płytki RF. Rysunek 3:Płytka RF z elementem odprowadzającym ciepło. Rysunek 3 ukazuje część płytki RF z filmem przewodzącym elektryczność i ciepło oraz elementem odprowadzającym ciepło. Element ten zawiera otwór, w którym montowany jest tranzystor mocy RF za pomocą odpowiedniego kołnierza. Połączenie pomiędzy płytką a elementem odprowadzającym musi charakteryzować się bardzo wysoką jakością. Aby uniknąć zjawiska hot spot, w połączeniu nie mogą występować pustki. Po procesie laminowania, grubość filmu łączącego musi być bardzo jednolita, co można zapewnić poprzez odpowiednie zarządzanie procesem wytwarzania. Metody ‘post-bonded’ posiadają znaczne przewagi nad metodami ‘pre-bonded’, zarówno pod względem kwestii projektowania jak i późniejszego wytwarzania obwodów. Nie stwarzają one żadnych problemów w fazie projektowania, nie ma też limitów ilości warstw przewodzących czy ograniczeń w wyborze substratu. Również sam element odprowadzający ciepło może być zaprojektowany w dowolny sposób. Pod względem produkcji, wszystkie trzy elementy wytwarzane są oddzielne, w optymalnych warunkach procesu, a następnie łączone w procesie laminowania. Wszelkie wadliwe komponenty mogą być odrzucone przez połączeniem. Lokalne rozpraszanie ciepła za pomocą miedzianych monet. W wielu przypadkach, montaż elementu odprowadzającego ciepło na całej powierzchni płytki nie jest niezbędny ani praktyczny (na przykład kiedy płytka RF ma być zamocowana na metalowym uchwycie czy w metalowej obudowie). Lokalny element odprowadzający, zintegrowany z obwodem może być wystarczający do transferu ciepła z okolic wrażliwego komponentu do spodniej warstwy płytki i dalej, do zewnętrznego elementu rozpraszającego ciepło. Ciepło może być odprowadzane również za pomocą ścieżek rozpraszających ciepło na płytce. Jeśli jednak ich przewodnictwo cieplne nie jest wystarczające, na płytce mogą zostać zamontowane miedziane elementy, tzw. monety. Miedź charakteryzuje się wysokimi walorami przewodnictwa cieplnego i elektrycznego i może być bezpośrednio aplikowana na płytce. Jedną z metod jest wmontowanie miedzianego elementu na wielowarstwowej płytce RF. Obwody o wysokich częstotliwościach są często upakowane w tzw. formie hybrydowej. Substrat RF jest przymocowany do laminatu, wykonanego z innego materiału. Przed finalnym zespoleniem konstrukcji w procesie laminowania, miedziana moneta jest umieszczana w otworze substratu. Moneta może być połączona za pomocą przelotek oraz warstw metalicznych obwodu z podstawą płytki, unikając wytworzenia pętli (Rysunek 4). Rysunek 4: Obwód RF z wbudowaną monetą miedzianą. Jak pokazano na prawym rysunku powyżej, miedziana moneta jest usadowiona na równi z tylną płaszczyzną płytki. Jakkolwiek, opisana metoda pozwala również na usadowienie monety na równi z obiema powierzchniami płytki. Takie projekt pozwala na zastosowanie wersji SMT tranzystorów mocy RF. Kolejną metodą jest usadowienie monety po wykonaniu wcześniejszych etapów montażu. Dla tego celu płytka RF musi posiadać otwory podtrzymujące prefabrykowaną monetę za pomocą substancji klejącej przewodzącej ciepło i elektryczność (Rysunek 5). Rysunek 5: Obwód RF z zamontowaną monetą miedzianą. Siła połączenia zamontowanej monety miedzianej zależy od użytego kleju, typu powierzchni, a także rozmiaru i geometrii łączonej powierzchni. Monety miedziane łączone techniką wprasowywania Montaż monety miedzianej za pomocą wprasowywania jest stosunkowo nową techniką, mającą zastosowanie w obwodach kontroli pracy silnika w przemyśle motoryzacyjnym. Metoda ta może być jednak stosowana również w obwodach RF. Okrągła lub prostokątna moneta jest montowana za pomocą prasy w odpowiednich otworach płytki, które mogą lecz nie muszą być pokryte warstwami metalicznymi. Poniższy rysunek 6 ukazuje część płytki RF z monetą zamontowaną w technice wprasowywania. Dodatkowo, moneta otoczona jest ścieżkami cieplnymi, których zadaniem jest przyśpieszenie procesu rozpraszania ciepła. Jednakże, ich zastosowanie nie jest konieczne i w omawianym przykładzie zostały one umieszczone jedynie ze względu na dostępność miejsca. Przewodnictwo cieplne monet miedzianych jest znacznie wyższe niż przewodnictwo ścieżek. Rysunek 6: Płytka RF z monetą miedzianą umieszczoną za pomocą prasy. Lepsza efektywność rozpraszania ciepła przez monety w stosunku do ścieżek może być zobrazowana za pomocą kamery termograficznej (Rysunek 7). Rysunek 7: Ścieżki cieplne (lewa strona) oraz monety miedziane (prawa strona). Rysunek 7 pokazuje dwa obrazy termograficzne układu pokazanego wcześniej na rysunku 6. Po lewej stronie tranzystor mocy zamontowany jest na szeregu ścieżek termalnych. Maksymalna temperatura komponentu wynosi w tym przypadku 105 °C. Ten sam tranzystor, zamocowany na monecie miedzianej zamocowanej za pomocą prasy (prawa strona rysunku) rozgrzewa się maksymalnie do temperatury 90 °C. Jako iż moneta miedziana charakteryzuje się lepszym przewodnictwem cieplnym aniżeli szereg ścieżek cieplnych o podobnych rozmiarach, temperatura tranzystora mocy może zostać zredukowana o 15 °C. Stanowi to znaczącą redukcję temperatury, oznaczającą wydłużenie życia produktu oraz poprawę niezawodności komponentu i całego systemu. Podsumowanie Poza zastosowaniem warstw klejących do połączenia układu RF z elementem odprowadzającym ciepło, dostępne są nowe metody integracji lokalnych elementów odprowadzających ciepło, wykonanych w postaci monet miedzianych. Nowe techniki dają projektantowi obwodu większą elastyczność i większy wybór materiałów. Prezentowane rozwiązania znalazły już zastosowanie w różnych komponentach RF w stacjach bazowych sieci telefonii komórkowej czy sieciach WiMax Autor: Markus Wille, Product Manager, Schoeller Electronics, Wettern, Niemcy