CN113141755B - 一种星载射频功率e类放大器散热装置的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，先分别制备PCB线路板、金属导热板和锡膏钢网，然后通过导热硅脂、焊锡和固定螺丝进行焊接组装，得到一种高效的高能量密度的E类放大器的散热装置，从而解决了星载应用中射频电源小型化和轻量化过程中遇到的导热及散热问题，并为整个电路提供一个更加可靠有效的地平面，降低地平面的电气阻抗，极大的降低了放大器中热量传递的热阻力，更有利于GaN芯片在星载应用中的散热，提高设备的功率密度。

Description

一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法
技术领域
本发明属于航空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种GaN芯片星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法。
背景技术
散热装置对大功率芯片散热具有重要作用，是保障功率芯片及设备长时间稳定高效工作的关键部件。目前的散热装置主要依靠紧贴芯片表面或者芯片位置的电路板背面的方法来导热从而达到散热的目的，通常芯片和散热装置之间还需要使用导热硅脂来提高导热性能。常规导热硅脂的导热系数只有2-16W/(m·K)，热阻较大，不利于大功率散热，尤其是在航空领域中使用。射频功率电源为了满足星载使用要求，对体积和重量有着极为严苛的要求。
随着GaN芯片技术的普及，射频电源小型化和轻量化设计变为可能。但是GaN芯片体积的缩小，导致芯片表面积和电路板面积的大幅度减小，致使PCBA的热阻增大、传热效率变低、散热面积变小。传统散热手段很难满足GaN芯片在射频电源中大功率应用的散热要求，由于热阻过大，当系统输出功率增大时，极易造成GaN芯片在使用过程中温度上升过快，致使设备温度过高、不稳定，甚至损毁。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，为整个电路提供一个更加可靠有效的地平面，降低地平面的电气阻抗，进一步降低热量的产生，保障设备正常运行。
为实现上述发明目的，本发明一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、制备线路板
(1.1)、选取多层数的PCB线路板，PCB线路板的表面铜厚需大于等于d1，内部铜厚需大于d2，且内层电路全部作为PCB线路板的地线网络；
(1.2)、在PCB线路板对应星载射频E类功率放大器的源极焊盘的位置处设计一个孔径为φ1的圆形或椭圆形金属化焊盘，其孔径面积与星载射频功率E类放大器的源极焊盘的面积比应尽量大，其余焊盘位置放置孔径φ2、外径φ3的金属化过孔；根据PCB线路板的元器件布局，在星载射频E类功率放大器周围放置螺丝孔，孔径大于螺柱直径；
(1.3)、PCB线路板的顶层覆铜，表面需做绿油覆盖处理，过孔处做开窗处理，整个顶层连接到地线网络；PCB线路板的底层覆铜，表面及过孔全部做开窗处理；对PCB线路板的顶层和底层的裸露铜皮做沉金或抗氧化工艺处理；
(2)、导热板的制备加工
(2.1)、先用机床将铜板表面打磨平整，并去除氧化层；
(2.2)、根据金属化焊盘的孔径尺寸和PCB线路板的厚度，在铜板上对应焊盘位置处铣出一个柱形突起，其直径等于焊盘内径尺寸减d3，高度等于PCB线路板的厚度；在PCB线路板的螺丝孔对应位置处，根据所需螺丝尺寸钻孔攻丝，完成铜板上螺丝孔的加工；
(3)、制备锡膏钢网
(3.1)、选用厚度为d的钢片；
(3.2)、在PCB线路板上各个焊盘对应位置处，使用激光雕刻机按照各个焊盘孔径尺寸开网孔，从而使组装时焊锡分小方块状覆盖焊盘；
(3.3)、完成钢片开孔后，采用电解抛光法对钢片抛光；
(4)、元件装配焊接
(4.1)、将锡膏钢网安放到PCB线路板上，使锡膏钢网的开孔位置对应到PCB线路板的金属化焊盘，然后刷上焊锡膏，并按照元器件清单安装除星载射频E类功率放大器以外的所有元器件；
(4.2)、将导热板平放在操作台上，并在柱形突起周围均匀涂抹导热硅脂，涂抹面积应超过覆盖对应有星载射频E类功率放大器及其驱动电路面积的n倍，并避开PCB线路板上所有通孔位置；
(4.3)、将装备了元器件的PCB线路板安装到导热板上，安装时应保证导热板的柱形突起在PCB线路板金属化焊盘的正中央，且周围间隙均匀，再用镊子将焊锡膏填充到间隙中；
(4.4)、观察星载射频E类功率放大器的源极焊盘、金属化过孔及金属化焊盘上焊锡膏是否完整，若有缺损，则手工补齐；
(4.5)、将星载射频E类功率放大器安装到PCB线路板对应位置，并使用对应尺寸的圆头螺丝钉将PCB线路板固定在导热板上；其中，柱形突起用于连接星载射频E类功率放大器的源极焊盘，再用焊锡膏焊接，当星载射频E类功率放大器运行时，功率放大器工作时产生大部分热量通过源极焊盘向柱状突起传递，再传递到导热板进行散热，剩余小部分热量通过金属化焊盘及过孔传递至PCB线路板的底部，再通过导热硅脂递到导热板进行散热；
(4.6)、将上述组装后的设备整体放入到回流焊设备中进行焊接，焊接过程中严格按照回流焊设备的温度与时间的对应关系。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明为一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，先分别制备PCB线路板、金属导热板和锡膏钢网，然后通过导热硅脂、焊锡和固定螺丝进行焊接组装，得到一种高效的高能量密度的E类放大器的散热装置，从而解决了星载应用中射频电源小型化和轻量化过程中遇到的导热及散热问题，并为整个电路提供一个更加可靠有效的地平面，降低地平面的电气阻抗，极大的降低了放大器中热量传递的热阻力，更有利于GaN芯片在星载应用中的散热，提高设备的功率密度。
附图说明
图1是PCB线路板示意图；
图2是紫铜件加工完成样式的示意图；
图3是PCB线路板、元器件、焊锡膏、导热板通过回流焊焊接的温度和时间之间的关系曲线；
图4是本发明制备的星载射频功率E类放大器散热装置的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
在本实施例中，制作星载射频功率E类放大器散热装置需要用到以下材料：PCB线路板(双层或多层板)、焊锡膏、导热硅脂、紫铜板、铜材清洗剂、紫铜钝化剂、铜材抗氧化剂、铜材抛光剂、铜材退膜剂、纯水、螺丝。采用PCB板上金属、紫铜、焊锡膏三种高导热率材料作为主要热传递路径材料，再利用中等导热率材料导热硅脂作为辅助热传递的材料，极大的降低了系统工作中热量传递的热阻力。
其中，PCB线路板选用FR4板材的双层或多层板。焊锡膏选用SAC305，成分为96.5％Sn、3.0％Ag、0.5％Cu。导热硅脂选用导热系数在8-12W/(m·K)之间的散热硅脂。铜材清洗剂为MS0217，紫铜钝化剂为MS0423，铜材抗氧化剂为MS0407，铜材抛光剂为MS0308-1，铜材退膜剂为MS0211。螺丝为304不锈钢圆头螺丝，带平垫和弹垫。
如图1所示，本发明一种GaN芯片星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备线路板
S1.1、选取2、4、6或更多层数的FR4材质的PCB线路板，其表面铜厚需大于等于2oz(70um)，内部铜厚需大于0.5oz(17um)，如图4所示，内层电路132尽量全部作为PCB线路板的接地网络，降低接地网络的阻抗。
S1.2、由于功率电路采用E类放大器结构，所以GaN芯片星载射频功率E类放大器的源极焊盘101是接到电路中的接地网络中，如图1所示，根据GaN芯片星载射频功率E类放大器的源极焊盘101尺寸在PCB线路板对应焊盘的位置设计一个孔径1-10mm的圆形或椭圆形金属化焊盘105，焊盘105的孔径面积与源极焊盘101的面积比应尽量大，其余焊盘位置放置孔径0.3mm，外径0.5mm的金属化过孔104，根据PCB线路板元器件布局，在功率芯片周围放置螺丝孔106，孔径大于螺柱直径0.2mm。
S1.3、PCB线路板的顶层覆铜，表面需做绿油覆盖处理，过孔处做开窗处理，整个顶层连接到地线网络；PCB线路板的底层覆铜，表面及过孔全部做开窗处理；对PCB线路板的顶层和底层的裸露铜皮做沉金或抗氧化工艺处理。
S2、导热板的制备加工
S2.1、选用含铜率大于99.95％的紫铜板，按照图1所述形状加工，再用机床将铜板表面打磨平整，并去除氧化层。
S2.2、根据金属化焊盘105的孔径尺寸和PCB线路板的厚度，在紫铜板上对应焊盘105的位置处铣出一个柱形突起112，如图2所示，柱形突起112的直径等于焊盘105的内径尺寸-0.2mm，高度等于PCB线路板的厚度，在PCB线路板的螺丝孔106对应位置处，根据所需螺丝尺寸钻孔攻丝，完成紫铜件111上螺丝孔113的加工。
优选条件下，再将上述加工好的紫铜件111放入铜材清洗剂MS0217中进行清洗除油除氧化皮，1～3分钟后拿出使用清水冲洗，将紫铜件111表面残留的铜材清洗剂清洗干净；取铜材抛光剂MS0308-1一份，将其以1:3兑水，将紫铜件浸泡2～4分钟，此时紫铜件111表面有一层棕黄色膜出现，拿出使用清水冲洗，清除紫铜件111表面的残留抛光剂；取铜材退膜剂MS0211一份,以1:4兑水使用，对紫铜件111浸泡处理，3～5秒，待铜件表面的棕黄色膜褪去取出用清水冲洗；再将将紫铜件111浸泡在铜材钝化剂MS0423中，处理方式为原液浸泡处理，处理时间大于5分钟即可(若要求盐雾性能较高则钝化15分钟)。最后取出使用清水冲洗，放入纯水中清洗，取出烘干。
S3、制备锡膏钢网
S3.1、选用304H-TA钢片，厚度为0.10mm；
S3.2、在PCB线路板上各个焊盘对应位置处，使用激光雕刻机按照各个焊盘孔径尺寸开网孔，保证精度高于±0.003MM，从而使组装时焊锡分小方块状覆盖焊盘；
在本实施例中，GaN芯片星载射频功率E类放大器的源极焊盘101及驱动焊盘103或其他小尺寸焊盘对应位置需完全开孔，使用一个大的网孔，不可使用架桥开孔。焊盘102可采用多个小的网孔开孔，从而使得焊锡分小方块状覆盖焊盘。
S3.3、完成钢片开孔后，采用电解抛光法对钢片抛光，保证锡膏印刷的平整度和精度。
S4、元件装配焊接
S4.1、将锡膏钢网安放到PCB线路板上，使锡膏钢网的开孔位置对应到PCB线路板的金属化焊盘，然后刷上焊锡膏，并按照元器件清单安装除星载射频E类功率放大器以外的所有元器件；
S4.2、将导热板平放在操作台上，并在柱形突起112周围均匀涂抹导热硅脂，涂抹面积应超过覆盖对应有星载射频E类功率放大器及其驱动电路面积的1.5-2倍，并避开PCB线路板上所有通孔位置。
S4.3、将装备了元器件的PCB线路板安装到导热板上，安装时应保证导热板的柱形突起在PCB线路板金属化焊盘的正中央，且周围间隙均匀，再用镊子将焊锡膏填充到间隙中；
S4.4、观察星载射频E类功率放大器的源极焊盘101、金属化过孔104及金属化焊盘105上焊锡膏是否完整，若有缺损，则手工补齐；
S4.5、将星载射频E类功率放大器安装到PCB线路板对应位置，并使用对应尺寸的304不锈钢圆头螺丝钉将PCB线路板固定在导热板上；其中，柱形突起用于连接星载射频E类功率放大器的源极焊盘，再用焊锡膏焊接，当星载射频E类功率放大器运行时，功率放大器工作时产生大部分热量通过源极焊盘向柱状突起传递，再传递到导热板进行散热，剩余小部分热量通过金属化焊盘及过孔传递至PCB线路板的底部，再通过导热硅脂递到导热板进行散热；
在本实施例中，GaN芯片131工作时产生热量通过芯片管脚138向焊锡137传递，此时热量可通过两种路径传递。
具体的，传递路径一为热量通过GaN芯片的源极焊盘101、金属化过孔104、金属化焊盘105传递，部分热量可传至PCB线路板133中的内层电路接地平面132，主要热量传至PCB底部开窗覆铜136，再经过导热硅脂134传递到紫铜件111中。
传递路径二为热量通过GaN芯片的源极焊盘101、金属化焊盘105、紫铜件的柱形突起112传递，部分热量可传至PCB线路板133中的内层电路接地平面，主要热量直接传递到紫铜件111中。
紫铜件111也可安装到其他散热平面135，其包含但不限于金属机箱、低温平面、散热器，紫铜件111和其他散热平面135之间需要使用导热硅脂134，此时紫铜件111中的热量可通过导热硅脂134传递到其他散热平面135中。
S4.6、将上述组装后的设备整体放入到回流焊设备中进行焊接，焊接过程中严格按照回流焊设备的温度与时间的对应关系，具体为：回流焊设备进行焊接时分为升温区、高温浸泡温区、焊接温区、降温区；其中，升温区需控制平均升温速率0.5至1.0摄氏度/秒，最大升温速率2.5摄氏度/秒，从室温升至160摄氏度；高温浸泡温区控制温度从160摄氏度上升到180摄氏度，持续时间为30至90秒；焊接温区需要保证焊接温度在220摄氏度以上的时间在45至60秒之间，最高温度控制在235摄氏度至250摄氏度之间，降温区需控制降温速率2.0至6.0摄氏度/秒。
综述，通过图4所示的结构，GaN的芯片管脚138的接地面、PCB线路板133中内层电路接地平面、底部开窗覆铜136、紫铜件柱形突起112、紫铜件111连成一个主体，行成一个完整的地平面，有效降低了PCB电路板中接地网络在大功率工作状态下的阻抗，更低的阻抗有利于降低大功率工态下的发热。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种星载射频功率E类放大器散热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、制备线路板
(1.1)、选取多层数的PCB线路板，PCB线路板的表面铜厚需大于等于d1，内部铜厚需大于d2，且内层电路全部作为PCB线路板的地线网络，其中，d1≥2oz，d2＞0.5oz；
(1.2)、在PCB线路板对应星载射频E类功率放大器的源极焊盘的位置处设计一个孔径为φ1的圆形或椭圆形金属化焊盘，其孔径面积与星载射频功率E类放大器的源极焊盘的面积比应尽量大，其余焊盘位置放置孔径φ2、外径φ3的金属化过孔；根据PCB线路板的元器件布局，在星载射频E类功率放大器周围放置螺丝孔，孔径大于螺柱直径，其中，φ1∈1-10mm，φ2＝0.3mm，φ3＝0.5mm；
(1.3)、PCB线路板的顶层覆铜，表面需做绿油覆盖处理，过孔处做开窗处理，整个顶层连接到地线网络；PCB线路板的底层覆铜，表面及过孔全部做开窗处理；对PCB线路板的顶层和底层的裸露铜皮做沉金或抗氧化工艺处理；
(2)、导热板的制备加工
(2.1)、先用机床将铜板表面打磨平整，并去除氧化层；
(2.2)、根据金属化焊盘的孔径尺寸和PCB线路板的厚度，在铜板上对应焊盘位置处铣出一个柱形突起，其直径等于焊盘内径尺寸减d3，高度等于PCB线路板的厚度，其中，d3＝0.2mm；在PCB线路板的螺丝孔对应位置处，根据所需螺丝尺寸钻孔攻丝，完成铜板上螺丝孔的加工；
(3)、制备锡膏钢网
(3.1)、选用厚度为d的钢片，其中，d＝0.10mm；
(3.2)、在PCB线路板上各个焊盘对应位置处，使用激光雕刻机按照各个焊盘孔径尺寸开网孔，从而使组装时焊锡分小方块状覆盖焊盘；
(3.3)、完成钢片开孔后，采用电解抛光法对钢片抛光；
(4)、元件装配焊接
(4.1)、将锡膏钢网安放到PCB线路板上，使锡膏钢网的开孔位置对应到PCB线路板的金属化焊盘，然后刷上焊锡膏，并按照元器件清单安装除星载射频E类功率放大器以外的所有元器件；
(4.2)、将导热板平放在操作台上，并在柱形突起周围均匀涂抹导热硅脂，涂抹面积应超过覆盖对应有星载射频E类功率放大器及其驱动电路面积的n倍，并避开PCB线路板上所有通孔位置；
(4.3)、将装备了元器件的PCB线路板安装到导热板上，安装时应保证导热板的柱形突起在PCB线路板金属化焊盘的正中央，且周围间隙均匀，再用镊子将焊锡膏填充到间隙中；
(4.4)、观察星载射频E类功率放大器的源极焊盘、金属化过孔及金属化焊盘上焊锡膏是否完整，若有缺损，则手工补齐；
(4.5)、将星载射频E类功率放大器安装到PCB线路板对应位置，并使用对应尺寸的圆头螺丝钉将PCB线路板固定在导热板上；其中，柱形突起用于连接星载射频E类功率放大器的源极焊盘，再用焊锡膏焊接，当星载射频E类功率放大器运行时，功率放大器工作时产生大部分热量通过源极焊盘向柱状突起传递，再传递到导热板进行散热，剩余小部分热量通过金属化焊盘及过孔传递至PCB线路板的底部，再通过导热硅脂递到导热板进行散热；
(4.6)、将上述组装后的设备整体放入到回流焊设备中进行焊接，焊接过程中严格按照回流焊设备的温度与时间的对应关系；
其中，所述导热板制备加工完成后还能够进一步继续处理：放入铜材清洗剂MS0217中进行清洗除油除氧化皮，1～3分钟后拿出使用清水冲洗，将导热板表面残留的铜材清洗剂清洗干净；取铜材抛光剂MS0308-1一份，将其以1:3兑水，将导热板浸泡2～4分钟，此时导热板表面有一层棕黄色膜出现，拿出使用清水冲洗，清除导热板表面的残留抛光剂；取铜材退膜剂MS0211一份，以1:4兑水使用，对导热板浸泡处理，3～5秒，待导热板表面的棕黄色膜褪去取出用清水冲洗；再将导热板浸泡在铜材钝化剂MS0423中，处理方式为原液浸泡处理，处理时间大于5分钟即可；最后取出使用清水冲洗，放入纯水中清洗，取出烘干；
其中，所述回流焊设备的温度与时间的对应关系为：
回流焊设备进行焊接时分为升温区、高温浸泡温区、焊接温区、降温区；其中，升温区需控制平均升温速率0.5至1.0摄氏度/秒，最大升温速率2.5摄氏度/秒，从室温升至160摄氏度；高温浸泡温区控制温度从160摄氏度上升到180摄氏度，持续时间为30至90秒；焊接温区需要保证焊接温度在220摄氏度以上的时间在45至60秒之间，最高温度控制在235摄氏度至250摄氏度之间，降温区需控制降温速率2.0至6.0摄氏度/秒。
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