基于ANSYS仿真的微波组件热可靠性设计

Posted 2021-04-19 射频百花潭

1 引言

随着微波组件集成化程度的日益提高，单位体积的功率器件产生的热耗不断增长，微波组件的热可靠性面临严峻挑战[1-4]。稳压器是微波组件中常用的功率器件，受封装形式的约束，稳压器的散热性能普遍较差，对于减重要求较高的微波组件其散热问题尤为严重。稳压器的散热性能直接影响其工作结温[5]。结温过高不仅对稳压器的性能与寿命产生影响，也对微波组件的持续有效工作带来隐患。本文从结构热设计的角度出发，结合ANSYS仿真软件，针对具体微波组件进行热学仿真[6]，通过优化结构设计，降低稳压器结温，提高微波组件的热可靠性。

2 基本原理

结温是指处于电子设备中实际半导体芯片的最高温度，结温TJ 计算公式如下，相关变量定义与单位如表1 所示。

结合公式可知，降低结温主要有以下途径：

1）降低环境温度；

2）降低热耗；

3）降低热阻。

在工程实际中，环境温度往往难以改变；通过串联多级稳压器虽可降低单级稳压器的热耗，但对印制板的空间亦提出更高要求；对于同种稳压器，其结-壳热阻θJC 为固定值无法改变。本文通过降低壳-环境热阻θCA，实现降低稳压器结温的目的。

3 微波组件模型

图1 为本文用于热可靠性设计的微波组件模型示意图，为了突出研究重点，对模型中不影响仿真结果的螺纹孔、圆倒角等特征进行适当简化。如图1 所示，盒体外形尺寸为118.5mm×57mm×16.5mm，材料为硬铝合金；印制板外形尺寸为112.8mm×43.5mm×1mm，基板材料为聚四氟乙烯，基板表面敷铜；稳压器选用美国NS 公司的LM317AEMP 系列稳压器，外形尺寸为6.5 mm×3.6 mm×1.6 mm，其结温TJ 范围是[-40℃, 125℃]，考虑三级降额设计标准，结温TJ 应不大于105℃。结-壳热阻θJC=23.5℃/W，稳压器1～3 的热耗均为1.0W，稳压器4 的热耗为0.2W，环境温度为25℃。

图1 微波组件模型示意图

4 原始模型仿真结果分析

4.1 原始模型概述

图2 为原始模型盒体示意图，考虑到该微波组件有较高的减重要求，加之印制板底层排布有器件，因此盒体的底面被大面积挖空，仅保留若干印制板安装凸台，印制板与盒体的直接接触面积极为有限。

图2 原始模型盒体示意图

4.2 仿真结果分析

图3 为原始模型热分布图。由图可知，最高壳温出现在稳压器1 、2 上， 其平均壳温TC=89.33℃，结合公式（1）可得稳压器1、2 的平均结温TJ=112.83℃，无法满足稳压器三级降额设计标准，应采取措施降低稳压器的结温。

图3 原始模型热分布图

5 改进模型仿真结果分析

5.1 改进模型概述

通过上述分析不难看出，降低稳压器的 壳-环境热阻θCA，关键在于增加稳压器的传热途径。

图4 为改进模型盒体示意图。相比于原始模型盒体，改进模型盒体设计了稳压器传热凸台，其垂直高度与印制板安装凸台保持一致，其水平位置与稳压器位置相互重合。

图4 改进模型盒体示意图

5.2 仿真结果分析

图5 为改进模型热分布图。最高壳温依然出现在稳压器1、2 上，其平均壳温TC=80.46℃，结合公式（ 1 ） 可得稳压器1 、2 的平均结温TJ=103.96℃，满足稳压器三级降额设计标准。相比于原始模型，其平均结温的绝对值下降了8.87℃，相对值下降了7.86%，对于该微波组件而言，稳压块的散热条件得到一定的改善，是行之有效的热可靠性设计。

图5 改进模型热分布图

5 结 论

本文以功率器件稳压器为研究对象，结合ANSYS 仿真软件，研究了某微波组件热可靠性设计的过程，主要结论如下：当稳压器地热耗较高或热阻较大时，在减重指标允许的前提下，应对微波组件进行热可靠性设计；传热凸台的设计能够有效降低稳压器的壳-环境热阻、改善稳压器的结温，对于微波组件的热可靠性设计具有重要意义。

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专注于射频微波/高频技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立。该号已经50000人关注，10000+人加群（博士2000+），包括很多公司总经理、总工、主任、技术总监、研发经理等，射频行业IEEE Fellow多名。