CN101142459B - 带有热管增强托板的射频功率放大器组件 - Google Patents

Abstract

公开了一种射频放大器组件，包括带散热片的热汇(16)和热管增强的铝托板(10)。与铜托板相比，复合的热管增强铝托板(10)减少了导热扩散阻抗，其涉及RF放大器(14)的局部能量传导。RF放大器(14)的局部能量集中可沿热管(30)的长度扩散，提高了与托板(10)相连的热汇(16)的整体效率，并可承受非均匀的热载荷。这样减少了器件的结温度，结温度可导致损坏前的更高平均时间和更高的输出水平。热管形成和嵌入托板中，以便在不同相关区域下通过并延伸到利用不足的区域。

Description

带有热管增强托板的射频功率放大器组件

相关申请

本发明申请要求享有2004年3月12日提交的美国临时专利申请No.60/552,470的优先权，其内容本文参考引用。

技术领域

本发明大体上涉及无线通讯基站使用的射频功率放大器的热量管理。具体地，本发明涉及功率放大器组件和热汇组件。

背景技术

蜂窝基站使用的射频(RF)功率放大器一般包括射频放大电路。射频放大电路一般包括各种器件，其中包括输入和输出阻抗匹配电路和功率放大器件，一般为一个或多个射频晶体管。当功率放大器件工作时，其产生大量的热量形式的集中能量。必须强制进行热量管理，以避免性能下降或永久损坏器件。任何性能的下降都造成通讯信号的失真，这是非常不希望的。因此，保持器件较低温度对于射频功率放大器设计是非常关键的。

为了解决这个热量管理问题，密封的RF放大器组件的主要机械构件是带散热片的金属热汇。该热汇通常用铝制造，铝材料具有合理的经济性以及不错的导热性。热汇可结合各种电子器件，提供机械支承，更重要的是，可用作产热器件的冷却件。在传统的对流方法中，铝的热性能和普通的散热片结构设计已能满足大部分器件的冷却要求。但对于功率放大器使用的RF器件，热量产生密度和热汇相对热源的大平面形状比形成了很大的导热扩散的阻抗。为了改进这种情况，电子装置的放大器部分安装了可称作托板的铜散热器，以减少导热扩散阻抗，这是由于铜具有优良的导热性。托板是实心的平板，增大了小热源到主要的铝热汇的传导热路径。托板还兼容模块化设计，以制造具有不同设计的放大器。但是，铜托板价格较高和较重。此外，取决于放大器结构，各放大器可设置数个托板，这样就提高了成本和重量。因此，希望能够有铜托板的替代物。

铝托板可如希望的那样减少成本和重量。但是，由于铝的导热性比铜低，会存在较大的导热阻抗，导致器件温度较高，这对于放大器的工作是不希望的。这成为大功率射频放大器的应用中的重要问题。无线电通讯的功率放大器使用的RF放大器产生的高密度能量可高达100-150W。小密封件中有这样高的热通量使得热量管理方案复杂化。因此，对于大功率RF放大器，用铝托板代替铜托板可导致托板的温度分布恶化，最终造成器件高温。

因此，需要一种用于RF功率放大器的热传输系统，其能够提供大功率RF器件的必要热传输，同时避免铜托板的高成本和重量。

发明内容

在第一方面，本发明提出一种功率放大器组件，包括至少一个电子模块，其包括射频功率放大器电路；托板，和单独的带散热片的热汇。托板包括支撑板，支撑板用至少一个嵌入支撑板的热管增强，热管基本上具有比支撑板更高的导热性。其中，电子模块安装到托板，托板安装到带散热片的热汇。

在功率放大器组件的优选实施例中，支撑板是大致为矩形的实心金属板，包括一个或多个横置于板的水平表面的凹槽，一个或多个热管安装在一个或多个凹槽。热管是真空的中空管，其多孔的内部空间容纳有工作流体。支撑板包括具有第一导热性的第一材料，热管是优良的导体，其有效导热性要比第一导热性高数个量级。支撑板最好是铝制的，热管包括铜管，毛细管结构或材料，和工作流体。带散热片的热汇最好是铝制的。热管具有大体上圆柱形的形状，一表面部分是扁平的，与支撑板的表面共面。支撑板设置了多个沿支撑板的长度方向具有变化间距的热管。热管沿圆柱的长度方向可以是弯曲的。热管插入穿过托板顶表面的凹槽，热管的扁平部分与顶表面共面。或者，热管插入穿过托板底表面的凹槽。在后一种情况下，所述支撑板的顶表面设有开口，向下延伸到热管。射频功率放大器电路可包括多个放大器模块，单独的热管设置在各所述模块的下面。射频功率放大器电路可包括主放大器模块和低功率辅助放大器模块，其中多个热管可设置在主模块的下面。

根据另一方面，本发明提供了一种模块化热管增强热汇组件，包括：带散热片的热汇，具有一般为平面的上表面；大体上矩形的支撑板；和至少一个安装在支撑板内的热管。所述导热支撑板安装到带散热片的热汇的平面表面。

在模块化热管增强热汇组件的一优选实施例中，热管的内壁衬有多孔材料并充填了工作流体。支撑板最好包括至少一个横置于托板的穿过托板水平表面的凹槽，其中凹槽可接纳热管，所述热管与托板的水平表面平齐。支撑板最好包括具有第一导热性的第一材料，热管是优良的导体，其有效导热性要比第一导热性高数个量级。带散热片的热汇最好是铝制的，支撑板最好也用铝制成，所述热管最好包括铜管，毛细管结构或材料，和工作流体。多个热管设置在所述支撑板。热管互相倾斜，其间距沿长度方向变化。

本发明的其他特征和优点在下面的详细介绍中阐述。

附图说明

图1是根据本发明的RF功率放大器组件的优选实施例的轴测图；

图2显示了根据本发明的热汇组件的优选实施例的分解图；

图3显示了根据本发明的热管的剖开轴测图；

图4显示了根据本发明一个实施例的托板的轴测图；

图5显示了根据本发明一个实施例的托板的截面图；

图6显示了根据本发明的托板的可选实施例的轴测图；

图7显示了根据本发明的托板的第三实施例；

图8显示了根据本发明的功率放大器的第四实施例。

具体实施方式

图1-5显示了本发明的RF功率放大器组件和热传输系统的第一实施例。功率放大器组件100包括电路板11，12，其结合有发热元件，如射频晶体管14，可形成潜在的热点；和热汇组件110。热汇组件11结合托板10和单独的用于散热的带散热片的热汇结构件16。带散热片的结构件16包括用于接收托板10的平面表面和散热片18，散热片从平面表面10垂直向下延伸。在优选实施例中，带散热片的结构件16用铝制成。在许多具有多个电子模块的应用场合，不是所有的模块都产生高强度/高密度的热量并要求有托板，这些电子模块(如电路板11所示)可直接安装到带散热片的结构件16。

本发明的改进的热传输系统非常适合大功率的射频放大器。如图5清楚地显示，在这些射频放大器模块14中的热源是大功率集成电路器件46，如横向扩散MOS集成电路，其最大结温必须保持低于某值，以避免损坏。各集成电路46的尺寸可小到0.06平方厘米，并连接到铜钨凸板48，以帮助导热并减少热失配。横向扩散MOS集成电路46与托板10的平面形状比过大，因而形成了热扩散阻抗。该阻抗在托板10形成温度梯度，从而导热区域利用不足。

为了用低成本和重量轻的结构来解决这个热扩散阻抗问题，托板10设计成复合结构，包括实心的金属支撑板，其使用具有成本效益和重量轻的金属如铝制成，并用一个或多个嵌入支撑板的优良导热体(热泵30)来增强。此外，托板10最好具有模块形状，具有安装不同设计的放大器的灵活性。托板10最好具有平面的顶表面20和底表面22，便于连接到其他结构，并具有一般为矩形的模块形状。在优选实施例中，热汇组件110通过螺钉、螺栓、铆钉或类似紧固件26和孔28连接到一起，孔28在托板10上形成，用于容纳连接件26(如图2所示)。

适合的具有要求的热力学性能的热管可从市场上买到，当被嵌入托板时，如下面所介绍的，应符合所希望的模块托板形状。在一适当的实施例中，如图3清楚显示，在与托板配合之前，热管30是被动式双相热传输器件，能够在极小的温度差下传输大量的热量。热管的功能基于封闭的双相循环并利用蒸发潜热，和长度方向上非常小的温度梯度传输热量。热管30是衬有毛细管材料的密封的容器。该容器抽真空，用刚好够用的液体装填充满毛细管。在本实施例中，是用水充填，由于水具有优良的热力学性质，适合于此应用的操作温度范围。热管30的材料最好是铜，由于铜具有高导热性以及其与水接触不会产生腐蚀。热管30包括三个区，分别为蒸发区，冷凝区，和绝热区。当热量进入热管的蒸发区时，其中热管位于散热区之下，毛细管中的工作流体蒸发。该区的高压使得蒸汽流到较冷的区域，蒸汽冷凝，释放出蒸发潜热。毛细管结构件具有的毛细管力然后使液体泵回蒸发区。该系统不依靠重力加速度来使液体从冷凝区返回到蒸发区。热管30由于其封闭的双相循环工作模式，具有有效的导热性，要比最好的固体导体高数个量级。应当知道，取决于热管30的应用场合，可用不同类型的毛细管来代替烧结粉末34的毛细管，本应用中使用烧结粉末的毛细管34来产生毛细管力，使工作流体36从热源离开。

结合到托板10的热管30的数量和热管各自的尺寸是每个电子组件产生的热量和发热元件的位置和数量的函数。如一个示例所示，对于大约6英寸长和1/4英寸厚的托板，适合的热泵尺寸大约为4英寸长，厚度稍小于1/4英寸。

在优选实施例中，如图2，4，5清楚的显示，热管30通过凹槽40结合到托板10中，凹槽通过铸造或后来的加工在实心金属托板10形成。容纳热管30的凹槽40最好用导热环氧树脂，钎焊料或其他具有良好导热性的连接材料进行处理。热管30插入各自凹槽40中，并压入适当位置，然后使粘结剂固化。为了防止不同材料界面接触产生电化腐蚀，可使用各种材料和工艺对热管进行涂复。热管30可从托板30的顶表面20插入，也可从底表面22插入。在一优选实施例中，热管30通过机器压入热管30到插入的表面20，22。热管表面可进一步加工成具有更大的规整性和扁平度。因此热管30包括扁平的表面42，其放置成与管30插入的托板10的表面20，22平齐。保证热管30和托板10之间共面。为了优化一优选实施例中的热量传输，热管30的位置选择位于各发热器件24的下面，如前置放大器电路，具体为功率RF放大器模块14。托板10然后可通过方便的方式安装到带散热片的结构件16的平面顶表面。

如图6清楚的显示，如果热管30插入托板10的底面22，在托板10的顶面设置凹部44。放大器模块14可插入凹部44中，直接位于热管30的顶部。

在优选实施例中，多个热管30在包括放大器模块14的托板的产热区下面通过。终止于利用不足的区域下面，在托板形成更等温的温度分布。热管30因此沿托板的长度方向具有变化的间隔(即热管互相相对倾斜)，如图2，4，6所示，从局部区域扩散热量到托板的更宽大区域扩散热量。在许多情况下，一个或多个直线热管30可在托板10形成希望的等温分布。但是，应当知道，热管30可具有弯曲形状，例如具有S形形状，如图7所示。

如图8清楚显示，热管30的数量和其各自尺寸是每个热源发热量的函数。取决于热汇组件110的结构，各放大器模块14可设置不止一个热管。例如，在前馈放大器组件或Doherty放大器组件，一个放大器模块(主放大器)要比其他的模块(误差信号或辅助放大器)需要多很多的功率，因此在主放大器模块下可设置多个热管，在其他模块下只设置一个热管，可使托板具有更均匀的热量扩散。例如，具有大功率主放大器和低功率辅助放大器的放大器设计在2004年5月3日提交的美国专利申请No.10/837,838给出介绍，其内容在本文中参考引用。因此，如图8的示例所示，三个热管设置在主放大器模块下面，而在辅助放大器模块14下设有一个热管。

带有结合的热管30的热汇组件110具有与铜托板相比相同或更好的热性能，在托板10上形成降低的最大温度。更重要的是，使得重量和成本大大降低。使得产品在可靠性方面可与铜托板竞争。此外，热汇组件的模块设计可兼容于托板10和电路板12的高度自动化装配和各种热加工步骤，如回流焊工艺。如果热管简单地安装到带散热片的热汇16，省却了托板，由于带散热片的热汇的热质量大，这个结果是不可能达到的。此外，当蒸发区尽可能接近发热源时，由于从热源到蒸发区的较小热阻的路径，可得到高水平的热效率。美国专利no.6,421,253介绍了这种托板/电路板的热加工和安装的特定示例，其公开的内容在本文参考引用，应用于托板10和电路板12。

所属领域的技术人员可进行许多变化和改进，这未脱离本发明的精神和范围。例如，应当认识到，图1-8中电子组件的特定示例以及其元件的示例和可选实施例是为了便于说明和显示，而不是必要的设置，例如，各个部件未按比例显示，或未显示出最优的结构。

因此，应当知道，所显示的实施例只是用于说明，不应当认为是对本发明的限制，如所附权利要求所作的限定。例如，虽然权利要求中的元件以某种组合方式提出，应当清楚地知道本发明包括较少，较多的或与不同元件的其他组合，即使这些元件在前面未公开有这些组合。

应当清楚在说明中使用的介绍本发明和各种实施例的用语，其不仅具有普通限定的含义，还包括说明书中的超出了普通限定含义范围的结构、材料或行动的特殊含义。因此，如果一个元件在说明书的范围内可理解为包括不止一个含义，则当其用于权利要求时，必须理解为比全部说明书支持的和被用语本身支持的可能含义更具概括性的含义。

因此，所附权利要求中的用语或元件的定义在本说明书中被确定为不仅包括字面上的元件组合，而且还包括所有等效结构、材料或作用，它们能够以基本上相同的方式实现基本上相同的功能以获得基本上同样的效果。所以在这种意义上，可以设想所附权利要求中任何一个元件都可以用两个或两个以上的元件进行等效替换，或者某项权利要求中的两个或两个以上的元件也可以用单独一个元件来代替。尽管某些元件介绍可用于某些组合，即使开始就这样介绍，应当清楚地认识到，所公开的组合中的一个或多个元件可在某些情况下从这些组合中脱离，因此所公开的组合涉及到次组合或次组合的变化。

在所属领域的普通技术人员看来是对权利要求主题内容的非实质性的改变，无论是现在已知的或后来想出来的，可明确地认为在权利要求的范围之内是等效的。因此，所属领域的普通技术人员应知道目前或以后进行的明显替代属于所定义元件的范围之内。

因此，所附权利要求包括上面所具体显示和介绍的内容、从概念上讲等效的内容、明显可被替代的内容、以及基本上包含本发明主要思想的内容。

Claims (19)

1.一种功率放大器组件，包括：

至少一个电子模块，其包括射频功率放大器电路；

包括支撑板的托板，用多个嵌入支撑板的热管增强导热性能，热管具有比支撑板更高的导热性；

单独的带散热片的热汇；

其中，电子模块安装到所述托板，托板安装到带散热片的热汇，而多个沿支撑板的长度方向具有变化间距的热管设置在所述支撑板中。

2.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述支撑板是矩形的实心金属板，包括一个或多个横置于板的水平表面的凹槽，一个或多个热管安装在所述一个或多个凹槽。

3.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述热管是真空的中空管，其多孔的内部空间容纳有工作流体。

4.根据权利要求3所述的功率放大器组件，其特征在于，所述支撑板包括具有第一导热性的第一材料，所述热管是优良的导体，其具有的有效导热性要比第一导热性高数个量级。

5.根据权利要求4所述的功率放大器组件，其特征在于，所述支撑板是铝制的，所述热管包括铜管，毛细管结构或毛细管材料，和工作流体。

6.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述带散热片的热汇是铝制的。

7.根据权利要求2所述的功率放大器组件，其特征在于，所述热管具有圆柱形形状，一表面部分是扁平的，与支撑板的表面共面。

8.根据权利要求7所述的功率放大器组件，其特征在于，所述热管沿圆柱的长度方向是弯曲的。

9.根据权利要求7所述的功率放大器组件，其特征在于，所述热管插入穿过托板顶表面的凹槽，热管的扁平部分与顶表面共面。

10.根据权利要求7所述的功率放大器组件，其特征在于，所述热管插入穿过托板底表面的凹槽，所述支撑板的顶表面设有开口，向下延伸到热管。

11.根据权利要求3所述的功率放大器组件，其特征在于，所述射频功率放大器电路包括多个放大器模块，单独的热管设置在各所述模块的下面。

12.根据权利要求3所述的功率放大器组件，其特征在于，所述射频功率放大器电路包括主放大器模块和低功率辅助放大器模块，其中多个热管设置在所述主放大器模块的下面。

13.一种模块化热管增强热汇组件，包括：

带散热片的热汇，具有为平面的上表面；

矩形的支撑板；和

至少一个热管，安装在支撑板内；

其中，导热的所述支撑板安装到带散热片的热汇的平面表面，而多个沿支撑板的长度方向具有变化间距的热管设置在所述支撑板中。

14.根据权利要求13所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述热管的内壁衬有多孔材料，并充填了工作流体。

15.根据权利要求13所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述支撑板包括至少一个凹槽，所述凹槽穿过所述支撑板而横置于所述支撑板的水平表面，其中所述凹槽可接纳热管，所述热管与所述支撑板的水平表面平齐。

16.根据权利要求13所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述支撑板包括具有第一导热性的第一材料，所述热管是优良的导体，其具有的有效导热性要比第一导热性高数个量级。

17.根据权利要求16所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述带散热片的热汇是铝制的，所述支撑板也用铝制成，所述热管包括铜管、毛细管结构或毛细管材料、和工作流体。

18.根据权利要求13所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述支撑板中设置多个热管。

19.根据权利要求18所述的模块化热管增强热汇组件，其特征在于，所述热管互相倾斜，其间距沿长度方向变化。

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