一体化均热板在某毫米波功率放大器热设计中的应用.pdf

R电一体术
体化均热板在某毫米波功率放大器热设计中的应用
(中国西南电子技术研究所.四川成都610036)
Application of Vapor Chamber Cooling Solution in MMW Power Amplifier Design
CAO Hong
Southwest Institute of Electronic Technologv Chengdu 610036. China)
摘要:为解决某毫米波功率放大器芯片的散热管转移到微型热管上均热板(均温板)就是一种微
问题,对功放腔体结构采用了一种一体化均热板的型平板热管
形式。通过这种新的设计方法.并通过热仿真和热
测试的验证,证实使用了一体化均热板之后、可有效、1设计方案
降低功放芯片的工作温度。
1.1传统功放模块的结构设计
关键词:均热板;平板热管;功率放大器;热设计
传统的功放模块采用将功放芯片安装在结构腔
中图分类号:TK124
体的方式,并通过微波腔体合成的方式来实现功放
文献标识码:A
的合成,功放模块腔体的设计模型如图1所示。
文章编号:1001-22572015)02-0038-02
芯片安装位置
Abstract: The integrated cooling solution o
vapor chamber in MMW power amplifier is intro
duced in this paper. The temperature of MMW
power chips can be significantly reduced by the so
lution which has been verified by thermal design
and tests
Key words vapor chamber; flat-plate heat
图1功放模块腔体的设计模型
pipe; power amplifier: thermal design
功放芯片热耗大、效率低,为获得更好的散热效
果·并满足高精度的腔体加工要求,功放腔体材料采
用导热能力和加工综合性能良好的铝板或黄铜板。
0引言
1.2采用一体化均热板的结构设计
高热流密度器件·如微波和毫米波功率放大器
2.1均热板设计原理
件,集成度高、体积小和热耗大,对产品性能起着举
一体化均热板方案,是采用与腔体一体化平板
足轻重的作用。使用传统的结构材料以及散热方热管的方式来降低器件与功放腔体间的扩散热阻
法·已经无法使该类芯片在高温下的工作节温低于
平板热管就是采用均热板作为腔体结构?是一个内
许用节温?而该类芯片的散热不好会直接导致设备壁具微结构的真空腔体,当热由热源传导至蒸发区
失效或性能降低一
时,腔体里面的工质在低真空度的环境中,开始产生
随着热管技术的持续发展及应用?热管散热已液相气化的现象?气相的工质会很快充满整个腔体,
经成为一种很有前途的新型散热方式。热管传热能当气相工质接触到一个相对较冷区域时便会产生凝
力高·均温性好·具有可变换热流密度的能力、具有结的现象?藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的
良好的恒稳特性?而且可以制造成体积很小,重量很热?凝结后的液相工质会藉由微结构的毛细现象再
轻的产品“。目前·行业内研究的重点已从普通热回到蒸发热源处,平板热管的简单原理如图2所示。
目前,市面上可提供的平板热管状态如图3所
收稿日期:201:-11
示,热管与结构框架一体化共型制造,高度集成。
《机械与电子2015(2)
一体化均热板在某毫米波功率放大器热设计中的应用
化求
节温之下。
95℃
热源
94.1
Temperature(C
102
图2平板热管的简单原理
9
92.5℃
89.8
锁紧机构
均热板
锁紧机构
冷板
冷板
图5腔体为铝板5.A06的仿真
19.6
90.4℃m
Temperature(℃)
图3平板热管
2.2一体化均热板功放腔体设计
90.2℃
88.9
功放腔体总厚度为10mm,波导腔体深度为
l.6
3.56mm,腔体剩余厚度6.44mm,在6.44mm的
厚度中埋入均温板,一体化均热板功放腔体设计如
图4所示。腔体基材可选用防锈铝和黄铜2种,为
图6腔体为铜板H62的仿真
获得更轻的重量,选用防锈铝作为基材。
74.2℃
73,6C
7
93.8
84.8
图4一体化均热板功放腔体设计
2.6
75.8
66,8
采用一体化均热板作为腔体的好处
57.8
48.8
大大降低芯片与热沉之间的传导热阻,平板热
管的表观导热系数高达2000W/m?K以上,而原
有的铝板材料或黄铜材料的导热系数为110~150
图7腔体为一体化均热板的仿真
wm·K,导热系数是传统材料的13~18倍。传热2热测试及验证
路径上的热阻可下降一个数量级。芯片到热沉之间
可实现非常低温差的传热。
2.1测试数据
1.3热仿真结果
对功放模块打孔到芯片安装面下方,埋入T分
热仿真条件是:芯片安装面尺寸为3.18mmX
度热电偶·对功放模块正常加电工作,70℃的环境
2.73mm;单片芯片的热耗为10W:芯片沟道至安
下,3种材料的功放模块工作指标均正常,热测试数
据如表2所示。
装面热阻为7.4C/W:芯片许用节温为150C。
表2不同腔体材料的热分析结果
不同腔体材料的热分析结果如表1所示。可以
看出,结构件采用传统材料,在相同的散热条件下
序号
腔体材料
芯片安装面推算芯片与仿真值
温度节温相差
功放芯片的工作节温都超过了许用节温,使用一体
铝板5.A06
166
化均热板·可以将功放芯片的工作节温控制在许用
铜板H62
表1不同腔体材料的热分析结果
C
3一体化均热板
2.8
序号腔体材料
芯片安装面温度
芯片节温2.2误差分析
铝板5.A06
图
相关数据的误差来自于测试和仿真误差。
铜板H62
91.6(图6)
2.2.1测试误差
体化均热板
74.2(图7)
热电偶与被测物体连接方式的误差:温度测量
《机械与电子》2015(2)