CN103189978B - 用于热接口连接的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用作放大器的设备（20），具有用于提供信号放大的晶体管（26）、热管或循环流体散热器（22）以及在晶体管（26）与散热器（22）之间提供机械和热连接的热接口装置（24）。在使用中，为了便于有效地将热量/热能从晶体管（26）传递到散热器（22），在散热器（22）与晶体管（26）之间提供了板（24）。所述板（24）将散热器（22）连接到晶体管（26），并在二者之间提供了热管道。

Description

用于热接口连接的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于热接口连接的设备和方法，且具体地但非排它性地涉及用于将高功率晶体管（诸如微波和高功率射频（RF）晶体管）接口连接到散热器组件的设备和方法。本发明的设备和方法例如可以在工业和/或医疗微波应用中使用。
背景技术
诸如射频（RF）和微波放大器的高功率放大器通常使用高功率、高频率晶体管构建于偏置和信号输入/输出电路板周围而构成，晶体管封装入标准的法兰安装包装内。
在使用中，高功率放大器一般以热量形式耗散其大比例的操作能量，且在某些情况下，会作为所产生的热量丧失从约40％至约90％的放大器的操作能量。
已经提出用于处理所产生热量的许多手段。
例如，为了热量传递的目的，法兰安装包装可用螺栓直接栓接到放大器壳体。
为了将热量传递到周围大气，可提供诸如翅片式散热器的散热器。在某些情况下，放大器壳体可结合到散热器。
可提供强制空气冷却风扇以协助将热量引导远离放大器，且在某些情况下，除了散热器之外还可提供冷却风扇以提高散热器的有效性。
虽然提供散热器和/或风扇可以协助耗散由放大器所产生的热量，散热器和风扇组件显著增大放大器所占据的体积，导致形成相对较大的装置。例如，散热器将通常包括相对大量的金属（诸如铝或其它导体）和用于耗散热量的大量散热片。因此，当使用散热器时，在达到热平衡之前，必须由相对小的晶体管来加热大体积的材料（诸如金属）相当长的一段时间，其效率不高。
最近，针对微处理器行业研发的散热片以非常快的速度发展，导致能够将较高热量从非常紧凑的零件封装去除的非常紧凑和高效的设备。例如，一些微处理器散热器利用热管技术，其使用传导和对流或循环流体热管技术来高效地去除热量。热管位于靠近散热器的表面，其接触热表面。热管散热器的示例也可以使用潜在的热流体（例如，乙醇、丙酮、水、钠或汞）、固态高导电性导体或循环的冷却流体以便将热量从热表面提取走，以使得热量到达热交换器或散热片，上述可由或不由风扇辅助。基于已知热管的示例的微处理器散热器包括嵌入固态热管的ZalmanVF2000（RTM）VGA/CPU风扇，TSHeatronicsNCU-1000（氢氟烃-134a的液体蒸气热管）和CorsairH70（泵水的散热器与风扇辅助的热量交换器）。
微处理器散热器专门设计成直接耦合到现代微处理器CPU的热分散器。热分散器是CPU包封壳体的物理表面（通常为顶部）。CPU热分散器是平坦的，并可被抛光以便最大程度地将热量传递到散热器。微处理器散热器通常具有与CPU插口（或CPU插槽）兼容的特征，CPU插口（或CPU插槽）是在微处理器与计算机主板之间提供机械电连接的机械组件。（CPU插口的示例是IntelLGA775）。
对于任何散热器而言，为了便于将热量有效地从晶体管传递到散热器，需要将晶体管与散热器之间的热结点数量最小化，因为每个结点起到降低散热器效率的绝缘层的作用。因此，需要将晶体管直接定位到散热器上以提供单个热结点。
然而，基于热管和水流的散热器由于其设计而不能适应这种类型的直接连接。具体地，与这些散热器相关的一个问题是在热管与用于容纳安装法兰螺栓（其是将晶体管直接紧固到散热器所需的）的设备之间存在体积受限的金属。
此外，必须以非常精确的方式从用于高功率放大器中的晶体管来提取热量。
并且，晶体管可能需要到安装法兰的良好电接地接触，如果使用电绝缘热晶片结合晶体管的话，则无需提供到安装法兰的良好电接地接触。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用作放大器的设备，该设备包括：
晶体管，用于提供信号放大；
至少一块电路板，包含输入到晶体管的输入信号和/或从晶体管输出的输出信号；
热接口装置，被配置成便于晶体管与散热器之间的机械和热连接。
散热器可包括热管散热器或循环流体散热器。散热器可包括微处理器散热器。
在使用中，根据本发明实施方式的设备可用于将晶体管（例如射频（RF）或微波晶体管）连接到热管或循环流体散热器（例如基于热管的微处理器散热器），以便于将热量从晶体管传递到散热器然后传递到大气中。
通过将热管或循环流体散热器技术与微波或射频功率晶体管相结合，可以在热耗散方面获得改进，以及放大器装置的重量和尺寸可显著减小。
晶体管可为功率晶体管，该功率晶体管具有在1W至10,000W范围内、可选地在1W至1000W范围内、进一步可选地在20W至200W范围内的输出功率。
该晶体管可具有在1W/cm2至100W/cm2范围内、可选地在80W/cm2至100W/cm2范围内的每单位表面面积的输出功率。
接口装置可为任何合适的形式。在特定的实施方式中，接口装置可包括诸如板的机械主体，其适于定位于晶体管与散热器之间。
接口装置可形成与散热器接合。例如，接口装置可包括至少一个几何和/或机械特征，其被配置成与散热器的一部分接合或紧密配合。接口装置可包括凸出部分，其被配置成与在散热器上提供的对应的凹入部分接合，反之亦然。
接口装置可包括基本与CPU插口（或CPU插槽）的至少一个几何特征相同的至少一个几何特征，由此便于与微处理器散热器接合。
通过减小或最小化晶体管与散热器之间的接口装置的质量，热量可有效地传递到散热器，然后热量可被排放到大气中。
在操作中，在晶体管与热接口装置之间存在至少一个热路径，且至少一个热路径的一个主要热路径与任何其它热路径相比可将更多的热量从晶体管传导到热接口装置，且至少一个热路径的所述一个主要热路径可不经由电路板。
在操作中，当热接口装置与散热器接合时，在晶体管与散热器之间可存在至少一个热路径，以及至少一个热路径的一个主要热路径与任何其它热路径相比可将更多的热量从晶体管传导到散热器，且至少一个热路径的所述一个主要热路径可不经由电路板。
接口装置可直接耦合到晶体管。在使用中，接口装置可直接耦合到晶体管以提供晶体管与散热器之间的两个热结点。例如，热量可经由第一热结点（晶体管与接口装置之间的材料接口）直接从晶体管直接传递到接口装置，然后热量经由第二热结点（接口装置与散热器之间的材料接口）从该接口装置传递到散热器。
接口装置可通过任何合适的装置直接耦合到晶体管。例如，该接口装置可通过诸如螺钉的机械紧固件和/或通过粘结剂而耦合到晶体管。可替换地或另外地，接口装置可包括配置成与晶体管的一部分接合和/或紧密配合的至少一个几何和/或机械特征。例如，接口装置可包括配置成在晶体管上提供的对应凸出部分接合的凹入部分，或反之亦然。
可替换地，接口装置可间接地耦合到晶体管。例如，隔片或壳壁可限定于晶体管与接口装置之间。在特定实施方式中，隔片可包括设备壳体的一部分。可替换地，隔片可包括设备的单独组件。在使用中，接口装置可间接地耦合到晶体管以提供晶体管与散热器之间的至少三个热结点。例如，热量可经由第一热结点（晶体管与隔片之间的材料接口）从晶体管传递到隔片，经由第二热结点（隔片与接口装置之间的材料接口）从隔片传递到接口装置以及经由第三热结点（接口装置与散热器之间的材料接口）从接口装置传递到散热器。
该设备可进一步包括壳体，其被配置成包含晶体管、电路板和接口装置中的至少一者或为晶体管、电路板和接口装置中的至少一者提供安装。该壳体可为任何合适的形式。在特定实施方式中，壳体可包括铝制载体或箱体。
晶体管可包括封装的晶体管，且在使用中，接口装置可配置成便于封装晶体管与散热器之间的连接。
热接口装置可以如此的方式配置以提供与壳体的最少热接触，从而将热量有效地从晶体管移除到大气中。例如，该接口装置可偏离于壳体，以使接口装置的大部分不直接接触壳体，这有助于减少接口装置与壳体之间的导热。在壳体与接口装置之间也可提供空气间隙，以使热量可优选地从晶体管直接到达接口装置。
接口装置可被配置成从多个组件或位置传递热量。例如，接口装置可被配置成从由一连串或平行布置的高功率晶体管装置所产生的多个热点来传递热量。可替换地，微波循环器和高功率负载可用于保护放大器，这产生了也可以经由接口装置传递的热量。
接口装置可被配置成容纳多个散热器元件以增加散热能力。例如，散热器元件可包括多个微处理器散热器。可替换地或另外地，散热器元件可包括至少一个标准翅片式对流散热器。因此，接口装置可适于以多个微处理器散热器或微处理器散热器和标准翅片式对流散热器的组合的方式使用。
接口装置的至少一部分可包括一种材料，或一种或多种材料的组合，其为晶体管提供电接地。材料可包括导电材料。可使用任何合适的材料。在特定实施方式中，材料可包括铜、银和/或铝中的至少一者。
接口装置的至少一部分可包括一种具有导热性的材料，或一种或多种具有导热性材料的组合。可使用任何合适的材料。在特定实施方式中，例如，材料可包括拥有高导热性的材料，诸如铜、银和/或铝。
接口装置的至少一部分可包括一种拥有基本上单向导热属性的材料，或一种或多种具有基本上单向导热属性材料的组合。可使用任何合适的材料或材料的组合。在某些实施方式中，材料可包括基于热解碳的一种或多种材料，例如由MomentivePerformanceMaterialsInc.制造的聚乙烯聚合物纳米纤维材料和/或碳纳米管复合材料。
接口装置的至少一部分可被电镀或另外涂覆以提高导电性并防止表面氧化。例如，接口装置的至少一部分可涂覆有银（Ag）或金（Au）。
拥有极高导热属性的材料可提供于晶体管之上和/或之下，以提高热接口装置内的导热性。高导热性的材料例如可包括基于热解碳的材料，且在特定实施方式中，高导热性材料可包括
为了保持电性能，一种或多种导热性材料的至少一部分可被电镀或另外涂覆以提高导电性。例如，至少一部分材料可涂覆有银（Ag）或金（Au）。
因此，根据本发明实施方式的设备可用于将晶体管（例如射频（RF）或微波晶体管）连接到热管或循环流体散热器（例如基于热管的微处理器散热器或循环流体微处理器散热器），以便于将热量从晶体管传递到散热器然后传递到大气中。
根据本发明的第二方面，提供了一种根据第一方面的设备和热管散热器的组合。
根据本发明的另一独立的方面，提供了根据所述第一或第二方面的热接口装置。
根据本发明的另一独立的方面，提供了一种将晶体管和适用于放大器中的散热器进行热接口连接的方法，该方法包括以下步骤：
提供用于提供信号放大的晶体管；
提供至少一块电路板以包含输入到晶体管的输入信号和从晶体管输出的输出信号；以及
提供热接口装置，被配置成便于晶体管与散热器之间的机械和热连接。
应当理解，根据本发明任一方面，以上定义的特征可单独使用，或与根据本发明任何其它方面定义的任何其它定义的特征组合使用。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式来对本发明的这些和其它方面进行描述，其中：
图1（a）、图1（b）和图1（c）示出了高功率晶体管的示意性俯视图，侧视图和仰视图；
图2（a）和图2（b）是已知放大器、对流散热器和风扇布置的示意性侧视图和俯视图；
图3是示出靠近对流散热器和放大器以进行比较的热管散热器和放大器的示意性侧视图；
图4a是根据本发明实施方式的设备的热管微处理器散热器、热接口装置和高功率晶体管的示意图，组件单独示出以便于参考；
图4b是循环流体散热器的示意图；
图5（a）和图5（b）是本发明第一实施方式的示意性透视剖视图，示出了安装到放大器电路壳体的热接口装置和功率晶体管；
图6是图5a和图5b所示实施方式的示意性横截面视图；
图7（a）和图7（b）是图4至图6所示设备连同连接到该设备的ZalmanVGA/CPU风扇嵌入式散热器的示意性横截面视图；
图8是本发明可替换实施方式的示意性横截面视图，示出了热接口装置安装到放大器电路壳体内，其中功率晶体管安装到电路壳体上且通过薄隔片区域与热接口装置分离；
图9是从图8所示装置的下面看去的可替换的透视剖视图；
图10和11是图8和图9所示设备连同连接到该设备的Zalman散热器的示意性横截面视图；
图12是表示用于图10和图11中所示布置的测试结果的曲线图。
具体实施方式
最初参照附图中的图1（a），图1（b）和图1（c），其分别是高功率晶体管1的俯视图、侧视图和仰视图。晶体管1包括射频（RF）微波高功率晶体管，诸如CREECGH25120FGaNHEMT，且包括电信号连接片2、安装基部法兰3和晶体管封装4。
晶体管1安装到电路板（图中未示出）上且容纳于屏蔽盒（图中未示出）内以形成放大器，其在图2（a），图2（b）和图3中由附图标记5示意性地示出。
如上所述，高功率放大器通常由于其效率低下而以热量形式耗散其相对大比例的操作能量。为了防止损坏放大器5，且如图2（a）和图2（b）所示，以可以公知的布置来提供翅片式散热器6，以将热量从放大器5移除且将该热量耗散到环境中去。散热器6可由将温暖空气7引导远离散热器6的一个或多个风扇7来辅助。然而，由于散热器的要求将指示表面面积和将热能耗散到环境中所需的气流，因此这种布置通常非常大。
图3（b）中示出了热管散热器8形式的可替换的散热器。通过比较，图3（a）示出了翅片式对流散热器6，其类似于或等同于图2（a）和图2（b）所示的散热器6。在图3（a）和3（b）的每幅图中还示出了放大器5，这样可以理解相对大小。
图4（a）示出了根据本发明实施方式的设备20的组件，组件单独示出以便于参考。如图中所示，该设备20包括为热管微处理器散热器22形式的散热器，为板24形式的热接口装置，以及高功率晶体管26。散热器22可类似于或等同于上面图3（b）中所示的热管散热器8。在可替换的实施方式中，散热器可包括诸如在图4（b）中示出的循环流体散热器23，其中冷却流体通常通过泵（图中未示出）沿着循环路径25通过。高功率晶体管26可包括射频（RF）微波高功率晶体管，诸如CREECGH25120FGaNHEMT，类似于或等同于图1（a）至图1（c）中所示的晶体管1。晶体管可为任何其它封装的RF／微波功率晶体管，其可在处于从100MHz到100GHz范围内的至少一个频率运行。RF/微波功率晶体管可以为产生1至1000W或以上范围内的饱和输出功率的晶体管。在CGH40120FEGaNHEMT晶体管的示例中，输出功率为120W且产生的热量大约是50W。微波功率晶体管可基于任何半导体化合物，其可包括GaN、LDMOS、硅、GaAs或任何其它半导体材料。
在使用中，为了便于有效地将热量/热能从晶体管26传递到散热器22，板24提供于散热器22与晶体管26之间。板24将散热器22连接到晶体管26且在其间提供热管道。
图5（a）和图5（b）是本发明第一实施方式的示意性透视剖视图以及图6是图5a和5b中所示实施方式的示意性横截面视图。如图所示，板24和高功率晶体管26安装到放大器电路壳体28。热接口板24配置成凭借空气间隙30与电路壳体28的最少接触，空气间隙30起到减少从高功率晶体管26到电路壳体28的导热性的作用。
在该实施方式中，并参照图4，高功率晶体管26经由插入通过晶体管24安装法兰36中的孔34并插入提供于接口板24内的螺钉孔38的螺钉32而直接附着到热接口板24。然而，可以采用用于将晶体管固定或粘接到板24的其它合适手段。
在该实施方式中，在高功率晶体管26与微处理器散热器22之间存在两个热结点，第一结点由晶体管26与接口板24之间的材料接口提供，以及第二结点由接口板24与散热器22之间的材料接口提供。接口板24允许高功率晶体管26和微处理器散热器22的互连，板24提供晶体管26与散热器22之间的机械接口和热管道。
为了提高穿过结点的导热率，例如“ArcticSilver＃5”的散热器化合物可施加到功率晶体管26与热接口板24之间和/或热接口板24与微处理器散热器22之间。
图7（a）和图7（b）中示出了组装好的高功率晶体管26、热接口板24、微处理器散热器22和壳体28，其示出了图4至图6所示的设备20连同连接到该设备20的ZalmanVGA/CPU风扇嵌入式散热器22的示意性横截面视图。
参照图8和图9，示出了根据本发明可替换实施方式的设备的示意性横截面视图和透视剖视图，第一和第二实施方式之间的类似组件在第二实施方式中用第一实施方式同样的数字增加100来表示。如图所示，设备120具有为接口板124形式的、安装到放大器电路壳体128的热接口装置。高功率晶体管126安装到电路壳体128上且通过薄隔片区域140与热接口板124分离。
正如第一实施方式，热接口板124被配置成凭借空气间隙130与电路壳体128的最少接触，空气间隙130起到减少从高功率晶体管126到电路壳体128的导热性的作用。
隔片140保持在晶体管126/放大器设备120内的电接地平面，并防止通过任何间隙泄漏到外部。这种间隙通过引入有害的寄生电感或电容还可能影响晶体管126/放大器设备120的性能。
在第二实施方式中，在高功率晶体管126与微处理器散热器122之间存在三个热结点，第一结点由晶体管126与隔片140之间的材料接口所提供，第二结点由隔片140与接口板124之间的材料接口所提供，以及第三结点由接口板124与散热器122之间的材料接口所提供。
在该实施方式中，例如“ArcticSilver＃5”的散热器化合物可施加到功率晶体管126与电路壳体隔片140的内表面之间和/或电路壳体隔片140的外表面与热接口板124之间和/或热接口板124与微处理器散热器122之间。
在图10和图11中示出了包括高功率晶体管126、热接口板124和微处理器散热器122的完整布置。
图12是表示图10和图11中所示布置的测试结果的曲线图。以左侧y-轴为放大器效率对x-轴上的时间绘制曲线图，放大器效率为2.45GHz。以右侧y-轴为放大器温度对x-轴上的时间绘制该图。
虽然本文所述实施方式已经描述了接口装置与热管散热器的接合，但是接口装置可同样布置成与循环流体散热器接合，且这种布置在可替换的实施方式中提供了。
接口装置可由任何合适的材料形成，例如铜、银和/或铝中的至少一者。通常需要接口装置具有高的导热性。
在一些实施方式中，接口装置的至少一部分包括一种拥有基本上单向导热属性材料，或一种或多种拥有基本上单向导热属性材料的组合。可使用任何合适的材料或多种材料的组合。在某些实施方式中，材料可包括一种或多种基于热解碳的材料，例如由MomentivePerformanceMaterialsInc.制造的聚乙烯聚合物纳米纤维材料和/或碳纳米管复合材料。具有基本上单向导热性的材料是在一个方向上与在另一个方向上相比具有更大的导热性材料。
接口装置的至少一部分可被电镀或另外涂覆以提高导电性并防止表面氧化。例如，接口装置的至少一部分可涂覆有银（Ag）或金（Au）。
拥有极高导热属性的材料可提供于晶体管之上和/或之下，以提高热接口装置内的导热性。高导热性的材料例如可包括基于热解碳的材料，且在特定实施方式中，高导热性材料可包括
为了保持电性能，一种或多种导热性材料的至少一部分可被电镀或另外涂覆以提高导电性。例如，至少一部分材料可涂覆有银（Ag）或金（Au）。
应当理解，本文所描述的实施方式仅仅是示例性的，在不脱离本发明范围的情况下可对其作出各种修改。
例如，虽然优选将晶体管与散热器之间的热结点数量最小化，但是需要时所述设备可配置成在晶体管和散热器之间提供多于三个的热结点。

Claims (24)

1.一种用作放大器的设备，该设备包括：
射频或微波晶体管，用于提供信号放大；
至少一块电路板，用于提供输入信号到所述晶体管和/或从所述晶体管接收信号；
热接口装置，被配置成便于所述晶体管与热管散热器或循环流体散热器之间的机械和热连接；以及
隔片，在所述晶体管与所述热接口装置之间，以使得所述热接口装置经由所述隔片间接地耦合到所述晶体管。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述散热器包括微处理器散热器。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述晶体管包括功率晶体管，该功率晶体管具有在1W至10,000W范围内的输出功率。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述晶体管具有在1W/cm2至100W/cm2范围内的每单位表面面积的输出功率。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置被配置成直接耦合到所述晶体管。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在使用中，所述热接口装置直接耦合到所述晶体管，以提供所述晶体管与所述散热器之间的两个热结点。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在使用中，所述热接口装置间接地耦合到所述晶体管，以提供所述晶体管与所述散热器之间的三个热结点。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置包括被配置成与散热器的一部分接合的至少一个几何特征，该至少一个几何特征例如为凸出部分和凹入部分中的一者，其被配置成与所述散热器上提供的凸出部分和凹入部分中的另一者紧密配合。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括壳体。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述热接口装置被配置成提供与所述壳体的最少热接触。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述壳体与所述热接口装置之间提供有空气间隙。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置被配置成容纳多个散热器元件。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置被配置成容纳多个微处理器散热器。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置被配置成容纳至少一个热管散热器和至少一个标准翅片式对流散热器。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分包括为所述晶体管提供电接地的材料。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分包括导电材料。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分包括导热性材料。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分包括拥有单向导热属性的材料。
19.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分包括从以下材料构成的组中所选择的材料：基于热解碳的材料；聚乙烯聚合物纳米纤维材料；和/或碳纳米管复合材料。
20.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热接口装置的至少一部分被电镀。
21.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，基于热解碳的材料被提供于所述晶体管之上和/或之下。
22.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述晶体管包括封装的晶体管，且在使用时，所述热接口装置被配置成便于所述封装的晶体管与所述散热器之间的连接。
23.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备与热管散热器或循环流体散热器组合。
24.一种将晶体管和散热器进行热接口连接以用于放大器中的的方法，其特征在于，所述晶体管用于提供信号放大并被连接至至少一块电路板，该电路板用于向所述晶体管提供输入信号及从所述晶体管接收信号，以及该方法包括：
使用热接口装置机械和热连接所述晶体管与微处理器热管散热器或微处理器循环流体散热器，其中
所述机械和热连接包括在所述晶体管与所述热接口装置之间提供隔片，以使得所述热接口装置经由所述隔片间接地耦合到所述晶体管。
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