CN107750478B - 无埋块rf功率放大器 - Google Patents

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Abstract

公开了功率放大器组件和构件。根据一些实施例，提供了一种功率放大器组件(10)，其包括功率放大器(12)，功率放大器具有带有栅极接触表面的栅极引线(14)、带有漏极接触表面的漏极引线(13)，以及具有长度和宽度的源极接触表面(15)。延伸散热片(11)相靠源极接触表面安装，以将热传导离开(18)表面且延伸源极的电路径。延伸散热片至少具有大于源极接触表面的长度的长度。

Description

无埋块RF功率放大器
技术领域
本公开涉及功率放大器，并且尤其涉及功率放大器的安装。
背景技术
RF和其它高频(HF)功率放大器(PA)是用于将低功率RF信号转变成大功率的较大RF信号的半导体放大器的类型，典型地用于驱动传送器的天线。PA由安装在半导体封装内以形成PA模块的一个或多个功率晶体管构成。在本说明书中，PA模块将简单地称为PA。PA晶体管通过从电源(源极)取得能量且控制输出来匹配输入信号形状(栅极)但具有较大振幅，以增大输出信号(漏极)的功率。PA输出功率范围从低于一瓦到几百瓦。方法用于集成局部热移除系统，诸如将冷却元件结合到HF电路板上。发现此类局部热移除系统是通常由铜制成的金属埋块(coin)的形式。金属埋块可从构件快速地移除热，但导致更复杂的PCB制造工艺。
PA效率是它将供应的功率转化成输送至天线的输出信号功率的能力的量度。未转化成有用输出信号的功率作为热被耗散。典型的PA性能因素包括：输出功率、增益、线性度、稳定性、电压偏压、功率效率和耐受性。PA解决方案的性能主要由以下确定：(1)与源极的电连接的质量，(2)漏极侧电阻抗的可重复性，以及(3)有效耗散由PA产生的大量热的能力。
图1和2分别示出了功率放大器模块4的透视图和顶视图。典型的PA模块具有漏极1、栅极2和源极连接。源极具有穿过散热片的底侧的电连接，且热路径3在PA模块4的底座与散热片5的底侧之间。散热片5是包层或复合金属材料以匹配热膨胀且改善至PA半导体管芯的热/电传导性。
图3示出了安装在PCB上且使用底侧热冷却9a和电连接9b的已知功率放大器4的截面视图。
目前的PA解决方案使用穿过定制的印刷电路板(PCB)的底侧电连接和热连接。(多个)金属埋块6a加工和嵌入或附接到PCB 8a和8b上。PA散热片5的底侧使用浆料(未示出)物理地附接到PCB中的埋块6a上。
PA模块4的内部截面为了清楚起见未示出，但由具有包层金属Cu/CuMo/Cu散热片5的陶瓷空气腔封装构成。功率晶体管和输入/输出电容器是直接结合在散热片上且线结合来产生电连接的管芯。PCB由两个节段构成：(1)RF PCB 7a和7b，其载有RF信号，以及(2)非RF PCB 8a和8b。使用了循路的腔和腔壁镀(plating)。RF PCB典型是以RF材料和以底侧上的RF GND制造的两层微带设计。
图4为已知设计的物场图，示出了埋块用于导电和导热两者。当前的PA解决方案由于成本、成品率和可靠性问题而是不适合的。由于埋块制造以及产生用于RF连接到PCB地极(ground)平面的腔镀所需的添加或重复的工艺步骤，埋块使PCB制造复杂化。添加或重复的工艺步骤增加了PCB制造成本、延长了PCB制造循环时间，且对于频带变化而影响新产品上市时间(TTM)。此外，电连接的质量不理想。PA放置中的制造变化和PA与埋块的附接质量改变PA性能，从而不利地影响制造成品率。
当前的PA解决方案存在技术矛盾；如果使用PCB埋块，则达到适合的PA性能，但PCB制造困难、冗长且成本高。如果不使用PCB埋块，则PCB制造是标准、快速且节省成本的，但PA性能不足。
发明内容
一些实施例包括功率放大器组件。根据一些实施例，提供了一种功率放大器组件，其包括功率放大器和延伸散热片(extended heat slug)。功率放大器具有带有栅极接触表面的栅极引线、带有漏极接触表面的漏极引线和源极接触表面，源极接触表面具有长度和宽度。功率放大器具有相靠源极接触表面安装的延伸散热片，以将热传导离开表面且延伸源极的电路径，延伸散热片至少具有大于源极接触表面的长度的长度。
根据该方面，在一些实施例中，延伸散热片具有显著大于表面宽度的宽度。在一些实施例中，延伸超过源极接触表面的宽度和长度的散热片的一部分与栅极和漏极引线接触表面形成用于接收射频(RF)印刷电路板(PCB)的空间。
在一些实施例中，延伸散热片附连到管芯上而没有介入的埋块。在一些实施例中，散热片包括槽口。在这些实施例中的一些中，槽口是U形。在一些实施例中，散热片具有多层，其中至少一层是Cu，且另一层是CuMo。在一些实施例中，存在两个Cu层，且CuMo层夹在两个Cu层之间。
在一些实施例中，功率放大器组件与RF PCB之间的电接触在RF PCB夹在漏极和栅极接触表面与延伸散热片之间时产生。在一些实施例中，电接触构造和热接触构造在延伸散热片的水平轴线和竖直轴线两者上是正交的。在一些实施例中，当栅极接触表面、漏极接触表面和延伸散热片与RF印刷电路板的预定接触区域匹配时，在功率放大器组件与RF PCB之间产生电路径。在一些实施例中，接触区域包括RF PCB的上接触表面和下接触表面。
根据另一个方面，一些实施例包括功率放大器组件。在一些实施例中，功率放大器具有壳体、带有延伸离开所述壳体的第一端的栅极接触表面的栅极引线、带有延伸离开与第一端相对的壳体的第二端的漏极接触表面的漏极引线和壳体下方的源极接触表面，源极接触表面具有长度和宽度。在一些实施例中，功率放大器组件具有相靠源极接触表面安装的延伸散热片，以将热传导离开源极接触表面且延伸源极的电路径，延伸散热片至少具有大于源极接触表面的长度的长度。
根据另一个方面，一些实施例包括一种用于制造功率放大器组件的方法。在一些实施例中，一种方法包括将功率放大器的源极表面粘合到具有大于源极表面的大小的延伸散热片；以及将延伸散热片附连到功率放大器组件的壳体上。
根据另一个方面，一些实施例包括与功率放大器PA、管芯和印刷电路板PCB一起使用的延伸散热片，其中延伸散热片是包层和复合材料中的一种。包层和复合材料中的一种构造成匹配PA管芯的热膨胀且提供电传导性和热传导性。顶部构造成电连接到PCB上的射频地极上。底部构造成热连接到金属壳体上。根据另一个方面，电连接构造和热连接构造在延伸散热片的水平轴线和竖直轴线两者上是正交的。
附图说明
通过在连同附图考虑时参照以下详细描述，将更容易理解本实施例及其附随优点和特征的更完整的理解，其中：
图1为已知功率放大器模块的透视图；
图2为已知功率放大器模块的顶视图；
图3为已知功率放大器组件的截面视图；
图4为已知功率放大器组件的物场图；
图5为如本文所述的功率放大器组件的物场图；
图6为如本文所述的功率放大器组件的另一个物场图；
图7a,7b和7c是具有如本文所述的延伸散热片的功率放大器模块的顶视图、侧视图和端视图；
图8为根据一个实施例的具有延伸散热片的功率放大器组件的截面视图；
图9为根据图8的实施例的具有延伸散热片的功率放大器组件的顶视图的示图；以及
图10a,10b和10c是根据另一个实施例的具有延伸散热片的功率放大器模块的顶视图、侧视图和端视图。
具体实施方式
在详细描述根据本公开的示例性实施例之前，应注意的是，实施例主要在于关于无埋块(coinless)RF功率放大器的设备构件和工艺步骤的组合。因此，系统和方法构件在适当情况下通过附图中的常规符号来呈现，从而仅示出与本公开的实施例的理解相关的那些特定细节，以免由受益于本文描述的本领域普通技术人员容易理解的细节而使本公开模糊。
如本文使用的，相关用语如"第一"和"第二"、"顶部"和"底部"等可仅用于将一个实体或元件与另一个实体或元件区分开，而不必要求或隐含此类实体或元件之间的任何物理或逻辑关系或顺序。
本实施例消除了迄今仍用于HF板设计中的局部热移除的PCB金属埋块。
图5和6是物场图，其中未使用埋块，以及本实施例的进一步分解，其中散热片是Cu/CuMo/Cu包层材料，其中CuMo夹在两个Cu层之间。电连接通过包层材料Cu顶侧的散热片来产生，且可直接地连接到PA源极上。热触头或路径穿过散热片且直接至用作热沉的射频的铸件(casting)。
图7a,7b和7c是根据一个实施例的具有延伸散热片11的RF功率放大器组件10的顶视图、侧视图和端视图。在该实施例中，PA组件10具有壳体12、一端上的漏极引线13、与漏极引线13相对的另一端上的栅极引线14。源极及其接触表面15位于PA组件壳体12下方。类似地，漏极接触表面和栅极接触表面位于其相应引线13a和14a的下方。这些接触表面适于与未示出的射频(RF)印刷电路板(PCB)的预定接触区域匹配。如下文将进一步描述的，该实施例利用了PA壳体12的散热和源极电流的设计改型来实现优异的电性能且提供具有减小的热阻的较大导热区域。在图7a中，一个设计改型是使PA散热片11的长度和宽度延伸超过PA壳体12的长度和宽度。延伸的PA散热片11允许消除埋块且改善电连接的质量/可重复性。例如，将散热片11的外侧大小延伸超过PA壳体12的周边的大约25％实现了优异的热流。这样延伸不但提供了较大的热接触或散热区域和优异的电性能，而且由于散热片11的延伸表面区域与源极接触，故还增大了源极接触面积或表面15。注意，散热片11的尺寸且尤其是其长度、宽度和厚度将根据PA和PCB设计的电要求和散热要求来改变。类似地，散热片的优选尺寸可根据制造条件或性能要求来改变。
本PA组件的散热片11设计成提供：(1)与PA源极接触表面的直接且理想的连接，(2)改进的漏极侧质量和电阻抗的可重复性，以及(3)与射频铸件的直接热附接。当前构造的散热片11相比于已知解决方案在极大降低的成本下实现了改进的PA性能。当散热片11相对于源极接触表面15匹配时，它具有将PA组件下方的源极接触表面15传递或延伸到以延伸散热片11产生的上表面16的效果。这些变化利用重新设计的PA散热片而消除了对PCB中的困难、冗长且成本高的埋块的需要，以提供改进的热路径和电连接。
延伸散热片11由包层或复合材料制成，以使热膨胀匹配封装的PA半导体管芯和壳体12，且提供电/热传导性。一般在PA组件下方来连接到散热片和金属埋块上的源极15改为设在延伸散热片11的上表面处。如进一步所示，与RF PCB(未示出)上的射频地极(RFGND)的电连接17a和17b通过具有大于当前解决方案的接触面积的散热片11的顶侧产生。热路径18通过具有比当前解决方案减小的热阻的散热片11的底侧产生。电连接17a,17b和热路径18实际上是在水平和竖直轴线两者上正交的，以避免关键接触区域的竞争。
与源极15接触的散热片11是包层(或复合)金属材料，其通过PA 4半导体管芯后侧产生与(多个)功率晶体管源极的直接连接。散热片中的U形槽口19允许直接与射频铸件(未示出)的机械附接(螺栓连接或等同)。滑动和安装或推动和扭转制造技术用于将PA组件附接到(多个)RF PCB上。这在本申请人的共同未决的美国申请62/182,987中详细描述。
图8为安装到铸件20上的PA组件10的截面视图。PA包括陶瓷环(未示出)，其有助于控制漏极引线13、栅极引线14和延伸散热片和源极15之间的竖直间距。陶瓷环厚度紧密匹配RF PCB 22a,22b的厚度。尽管图8中未示出，但左和右RF PCB 22a,22b和PCB23a,23b可为由不同材料制成的单个PCB或多个PCB。PCB可为分开的或开槽的24(图9)，以允许滑动和安装制造。滑动和安装制造允许漏极侧和栅极侧上的较小RF PCB间隙。应当注意的是，尽管附图示出了各个部分紧密邻接或邻近彼此，但制造的产品的实际截面将示出在PCB 22和23与PA壳体和散热片11之间的细微间隙，以允许PA模块和PCB的制造和组装。机械工具销和夹具(或简单图案识别)可用于在关键的漏极侧上产生可重复的近零间隙。如上文所述，电连接17a和17b在RF PCB GND与延伸散热片之间的重叠上产生，并且热路径18直接穿过散热片到铸件20而形成。重叠连接是钎焊的(或等同的)。
图9为(未示出)但由左和右PCB 22a,22b,23a和23b之间形成的PCB腔中的PA组件10的顶视图。分离物或分隔物24沿与U形槽口19相同的轴线。可使用实现与射频铸件的直接机械连接的U形槽口的备选方案。分离的PCB允许：(1)滑动和安装制造，以及(2)单独的左和右PCB材料的使用来优化性能和成本。备选地，槽口允许：(1)滑动和安装制造，以及(2)单个PCB的使用。分离设计允许漏极侧RF PCB和栅极侧RF PCB由不同材料制成。
图10a,10b和10c是根据另一个实施例的具有延伸散热片31的RF功率放大器组件30的顶视图、侧视图和端视图。在该实施例中，PA组件30也具有壳体32、一端上的漏极引线33、与漏极引线33相对的另一端上的栅极引线34。源极及其接触表面35位于PA组件壳体32下方。类似地，漏极接触表面和栅极接触表面位于其相应引线33a和34a的下方。这些接触表面适于与未示出的射频(RF)印刷电路板(PCB)的预定接触区域匹配。在该实施例中，在漏极引线33和栅极引线34下方延伸的壳体40的部分是圆形的。壳体的圆形部分允许在设有腔的PCB中的推动和扭转制造，该腔匹配PA壳体32的上表面、漏极引线33和栅极34的形状和周边，使得在PA组件30推动穿过PCB腔时，PA组件然后可扭转或旋转，使得漏极引线33、栅极引线34和散热片31上的源极接触表面35可与RF PCB(未示出)的匹配区域进行电接触。
实施例通过重新构想PA散热片来消除对埋块进入PCB的困难、冗长且成本高的制造的需要，以提供改进的热路径和电连接。这通过以下实现：(1)延伸当前PA散热片的长度和宽度的设计改型，以及(2)允许PA组件20的滑动和安装制造或PA组件30的推动和扭转或旋转的PCB的设计改型。
本文所述的实施例的优点包括：
·相对于当前解决方案的极大降低的成本。
·通过与延伸PA散热片的顶侧的改进的RF接地连接实现优异的电性能。较大的接触面积以及与直接地连接到PA晶体管管芯后侧(源极)上的高传导性散热片Cu包层金属的连接。
·优异的热性能。埋块的消除允许对铸件的直接机械夹持的热路径。结果在于减小热阻。
·改进的可重复性。滑动和安装制造允许减小的漏极侧空气间隙。
·对于频带变化的较快上市时间(TTM)。无埋块PCB具有较少工艺步骤和缩短的PCB制造循环时间。循环时间缩短相对于当前解决方案是＞50％。
·灵活性。栅极侧和漏极侧RF PCB可由不同材料类型来构成以改善性能或降低成本。
本领域的技术人员将认识到，本实施例不限于上文具体示出和描述的内容。此外，除非上文相反指出，否则将注意到所有附图都不是按比例的。鉴于以上教导内容，多种改型和变型都是可能的。

Claims (23)

1.一种功率放大器组件，包括：
功率放大器，其具有带有栅极接触表面的栅极引线、带有漏极接触表面的漏极引线和源极接触表面，所述源极接触表面具有长度和宽度；以及
相靠所述源极接触表面安装的延伸散热片，用于沿与所述源极接触表面垂直的方向将热传导离开所述表面且沿所述延伸散热片的上表面延伸所述源极的电路径，所述延伸散热片至少具有大于所述源极接触表面的长度的长度，
其中，所述功率放大器和所述延伸散热片的侧表面被多个印刷电路板包围，并且
其中，在所述功率放大器和所述多个印刷电路板之间的至少一个电连接沿所述延伸散热片的所述上表面进行。
2.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述延伸散热片具有显著大于所述源极接触表面的宽度的宽度。
3.根据权利要求2所述的功率放大器组件，其特征在于，所述延伸散热片具有显著大于所述源极接触表面的长度的长度。
4.根据权利要求3所述的功率放大器组件，其特征在于，所述散热片的延伸超过所述源极接触表面的宽度和长度的一部分与所述栅极接触表面和所述漏极接触表面形成用于接收所述多个印刷电路板中的射频RF印刷电路板PCB的空间。
5.根据权利要求4所述的功率放大器组件，其特征在于，所述空间具有等同于所述RFPCB的厚度的宽度。
6.根据权利要求5所述的功率放大器组件，其特征在于，当所述栅极接触表面、所述漏极接触表面和所述延伸散热片与所述RF印刷电路板的预定接触区域匹配时，在所述功率放大器组件与所述RF PCB之间产生电路径。
7.根据权利要求6所述的功率放大器组件，其特征在于，所述栅极接触表面和所述漏极接触表面在所述栅极引线和所述漏极引线下方，且所述源极接触表面由于所述散热片延伸超过所述源极接触表面的宽度和长度而延伸。
8.根据权利要求6所述的功率放大器组件，其特征在于，所述接触区域包括所述RF PCB的上接触表面和下接触表面。
9.根据权利要求7所述的功率放大器组件，其特征在于，在所述功率放大器组件与所述RF PCB之间的电接触在所述RF PCB夹在所述漏极接触表面和所述栅极接触表面与所述延伸散热片之间时产生。
10.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述散热片包括槽口。
11.根据权利要求10所述的功率放大器组件，其特征在于，所述槽口是U形的。
12.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，所述散热片具有多层，其中至少一层是Cu，而另一层是CuMo。
13.根据权利要求1所述的功率放大器组件，其特征在于，存在两个Cu层，以及所述CuMo层夹在所述两个Cu层之间。
14.根据权利要求9所述的功率放大器组件，其特征在于，电接触构造和热接触构造在所述延伸散热片的水平轴线和竖直轴线两者上是正交的。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的功率放大器组件，所述延伸散热片包括：
包层和复合材料中的一种，所述包层和所述复合材料中的所述一种构造成匹配所述功率放大器组件的管芯的热膨胀且提供电传导性和热传导性；
构造成电连接到射频印刷电路板上的射频地极上的顶部；以及
构造成热连接到铸件上而没有介入的埋块的底部。
16.一种功率放大器组件，包括：
功率放大器，其具有壳体、带有延伸离开所述壳体的第一端的栅极接触表面的栅极引线、带有延伸离开所述壳体的与所述第一端相对的第二端的漏极接触表面的漏极引线和所述壳体下方的源极接触表面，所述源极接触表面具有长度和宽度；以及
相靠所述源极接触表面安装的延伸散热片，用于沿与所述源极接触表面垂直的方向将热传导离开所述源极接触表面且沿所述延伸散热片的上表面延伸所述源极的电路径，所述延伸散热片至少具有大于所述源极接触表面的长度的长度，
其中，所述功率放大器和所述延伸散热片的侧表面被多个印刷电路板包围，并且
其中，在所述功率放大器和所述多个印刷电路板之间的至少一个电连接沿所述延伸散热片的所述上表面进行。
17.根据权利要求16所述的功率放大器组件，其特征在于，所述延伸散热片具有显著大于所述源极接触表面的宽度的宽度。
18.根据权利要求17所述的功率放大器组件，其特征在于，所述散热片的延伸超过所述源极接触表面的宽度和长度的一部分与所述栅极接触表面和所述漏极接触表面形成用于接收所述多个印刷电路板中的射频RF印刷电路板PCB的空间。
19.根据权利要求18所述的功率放大器组件，其特征在于，所述空间等同于所述RF PCB的厚度。
20.根据权利要求18所述的功率放大器组件，其特征在于，所述壳体的在所述栅极接触表面、所述漏极接触表面与源极接触表面之间延伸的一部分是圆形的。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的功率放大器组件，所述延伸散热片包括：
包层和复合材料中的一种，所述包层和所述复合材料中的所述一种构造成匹配所述功率放大器组件的管芯的热膨胀且提供电传导性和热传导性；
构造成电连接到射频印刷电路板上的射频地极上的顶部；以及
构造成热连接到铸件上而没有介入的埋块的底部。
22.根据权利要求21所述的功率放大器组件，其特征在于，电接触构造和热接触构造在所述延伸散热片的水平轴线和竖直轴线两者上是正交的。
23.一种用于制造功率放大器组件的方法，所述方法包括：
将功率放大器的源极表面粘合到具有大于所述源极表面的大小的延伸散热片上，以沿与所述源极表面垂直的方向将热传导离开所述源极表面且沿所述延伸散热片的上表面延伸所述功率放大器的源极的电路径；以及
将所述延伸散热片附连到所述功率放大器组件的壳体上，
其中，所述功率放大器和所述延伸散热片的侧表面被多个印刷电路板包围，并且
其中，在所述功率放大器和所述多个印刷电路板之间的至少一个电连接沿所述延伸散热片的所述上表面进行。
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