Добрый день, уважаемые коллеги.

Возникла проблема в следующем. Для одной из задач потребовалось сложить в октаве мощность 4-х микросхем HMC8205BF10.

Сложил на квадратурных мостах HDS2F, все прекрасно с точки зрения СВЧ, потери на суммирование 4-х усилителей всего 0,45 дБ в 2-4 ГГц. На данный момент занимаюсь конструктивным оформлением в серийное производство,
а опыта по подобным вещам маловато. Токи через каждую из четырех микросхем не превышают 1,5 А. (необходимо было получить достаточно высокую мощность P1dB)

Возникли следующие вопросы:

1. Какая максимальная рабочая температура самого кристалла? Для миллиона часов наработки допускается температура +225 градусов.

Можно ли подымать выше для уменьшения габаритов системы охлаждения или нежелательно? Например, у TGA2578-CP температура кристалла для наработки 100 000 т часов составляет 260 градусов, для наработки 1 000 000 часов - те же 225 градусов.

По ТЗ же наработка на отказ 10 000 часов.


2. Из какого материала выгоднее выполнить корпус? СВЧ блоки стараюсь покрывать иммерсионным серебром, но на алюминий серебро ложиться только через промежуточное покрытие (никель-бор, например). А дополнительное покрытие - это лишнее термосопротивление. Или имеет смысл сделать из латуни, на нее серебро ложится напрямую?


3. Вопрос может и дилетантский, но так и не смог разобраться точно. Тепловое сопротивление кристалл-корпус микросхемы для HMC8205BF10 составляет 1,57 градуса Цельсия на Ватт. То есть, градиент между корпусом и 1,57*(50Вольт х 1,5 А) = 115,5 градусов. Сильно уж много. С другой стороны, для температуры кристалла 260 градусов микросхема может работать при температуре ее корпуса 144,5 градуса. Это заключение справедливо?


Заранее благодарен.

Если массо- габарит позволяет, и за копейку не удавят, то я бы делал из меди. Любые сплавы(латунь в т.ч.) обычно имеют большее термосопротивление. Или можно попробовать подложить двумерную термопрокладку из наноуглерода, чтобы тепло по корпусу раскидать.

Там максимальный ток 1,3А, но ваши рассуждения в целом верны. Что указано во второй строке документа: При температуре на корпусе 85С, температура перехода будет 187 град (при Uпит 50В).

Толщина промежуточного покрытия никель-бор, ничтожно мала, что много вы там не потеряете. У Латуни в два раза меньше теплопроводность нежели у чистого Алюминия, тут вы потеряете больше, так как толщины уже совсем другие.

Как раз максимальный ток может быть много больше, чем 1300 мА. например, график 27 страницы 9 даташита. При входной мощности +20 дБмВт потребляемый ток равен 1800 мА. Но это детали. Более интересует максимальная температура кристалла для наработки 100 000 часов. Она явно не 225 градусов.

Я бы прочитал, это так: Что максимальная температура на кристалле 225 градусов, и при этом наработка будет 1млн. Но из этого не следует , что при температуре 250 градусов наработка будет 100 тыс, так как при такой температуре наработка может быть 0 (м/сх сгорит).

Спасибо за совет. А вы не в курсе, чистая медь будет отводить тепло эффективнее алюминия?



Возможно, хотя и маловероятно. У меня нет в данной области опыта, потому я создал данный топик. На самый край, буду выяснять данный вопрос экспериментально, но не хотелось бы.

"Теоретические основы теплотехники" автор A.М. Литвин
ТЕПРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ккал/м*ч*град
Алюминий 180-200
Медь чистая 350
Серебро 350 - 360
Медь обычная 300-320

Теплопроводность меди почти в два раза выше.
Но это только поможет отвести тепло от места контакта кристалла с корпусом, рассеивать это тепло также нужно, а это уже вопрос конструкции системы охлаждения.

Латунь ЛС 59-1 ГОСТ 15527-2004 - 121 Вт/(м*K).
Латунь Л 96 - 234 Вт/(м*K),
Дюраль Д-16 ГОСТ 4784-97 - 177 Вт/(м*K).

Так что с латунью не всё так плохо. При тех размерах корпуса микросхемы теплопроводность материала основания большого значения не имеет.

Ставьте холодильник на элементах Пельте и будет всё ОК! Если это вписывается в конструкцию, конечно.
Или криогенератор - это ещё веселее. Но тут именно хвост виляет собакою. Иного пока и не представляю...

Сплав АМг-61 (коррозийно стойкий) можно покрыть олово-висмутом или химическим\гальваническим никелем.

Heat spreader - некая подложка, которая разведет тепло на большую площадь чем изначальный кристалл., а потом справятся и обычная медь или алюминий. Может быть и металлизированным алмазом, и нитридом алюминия, и еще куча вариантов.
Температура перехода выше 200 градусов- это за гранью добра и зла для долгой и спокойной жизни для большинства полупроводников, кроме нитрида.

Тут надо смотреть на кристалл, а не на технологию. +85 - это приговор, а не диагноз, но тут никакие сплавы не спасут, кроме "холодильника", но не вентилятора. Сам работал с кристаллами и сам знаю, как это сложно. А уж если корпусированы - вдвойне сложнее: дно корпуса дальше чем...

Нитриду и 200 градусов фигня, чего не сказать про арсенид и кремний- германий.

Это всё замечательно, но что будет с характеристиками при перегреве? Там на 12-м рисунке вижу серьёзное снижение усиления в полосе.
Кроме того, если там рядом есть кремниевые и арсенид-галиевые братья по оружию, то надо и о них как-то позаботиться в плане надёжности.

Да, похоже, вы правы. Скорее всего , так как за каждую копейку в этом проекте не душат, придется сделать корпус из меди. А рассеивать уже алюминиевым радиатором с обдувом.



согласен. Но проблема в том. что данных микросхем стоит 4, в экспериментальном корпусе из Д16Т. Сам корпус стоит на огромном радиаторе с двумя вентиляторами в качестве обдува. При включении двух микросхем проблем нету. ПРи включении еще двух корпус в течении примерно часа все-таки разогревается до 90 градусов по Цельсию, где уже срабатывает термозащита. Включение происходит после остывания корпуса до 50 градусов, что и происходит буквально через 40 секунд. То есть, интуитивно , не хватает букавально чуть-чуть теплопроводности. Возможно, медный корпус решит проблему.



Александр, доброго времени суток! Рад Вас слышать Действительно, на крайний случай предусмотрен вариант с элементом Пельтье, но хотелось бы обойтись классическими методами. Просто элементы Пельтье потащат за собой резкий рост энегропотребеления.




Да и при 260 градусах температуры кристалла та же TGA2578-CP должна наработать 100 000 часов на отказ. Жаль, на HMC8250BF10 нет аналогичного графика.




По моим экспериментам с HMC8205BF10 и TGA2578-CP - практически никак. Одно уточнение - меня интересует точка компрессии по выходу 1 дБ в октавном диапазоне, то есть ток через каждую микросхему где-то 1450 мА, то есть не сильно выше, чем без сигнала по входу (1300 мА). По включению усилителя - коэффициент передачи чуть больше номинального, с прогревом припадает где-то на 1,5 -2 дБ. В качестве предусилителя - 2 последовательно включенные HMC637. Точка компрессии выходной мощности после суммирования 4-х HMC8205 что сразу после включения, что непосредственно перед срабатываем термозащиты - плавает не более чем на 1 дБ чтос натяжкой, но можно списать на погрешность измерения . Нелинейность ФЧХ изменений не претерпевает.

Скорее всего сопротивление канала растет с прогревом, падают характеристики двумерного электронного газа в канале транзистора. Но это не влияет на надежность.
http://downloads.hindawi.com/archive/2011/945189.pdf
К сожалению бренды типа Cree такую информацию стараются не публиковать, приходится искать на "вторичном" научном рынке.

Ну выиграете Вы пару-тройку градусов при использовании медного корпуса. Логичнее подумать над уменьшением теплового сопротивления радиатора (увеличение площади рёбер и т.п.).

Прошу прощения, я как-то подписывался в мыле как Александр, когда работал в оборонке, но на самом деле я - Евгений на гражданке
А я вот тут подумал: может вам "улитку" специализированную заказать под эту очень серьёзную штуку? Пмсм, очень актуально

В целом проблема решилась, подробности ниже.



Рад повторному знакомству. прошу прощения за неоперативный ответ из-за катастрофической нехватки времени, но все же лучше, чем никогда.

Сказалось отсутствие сколь какого-нибудь опыта в теплотехнике.

Ряд достаточно простых мер помог резко улучшить ситуацию, улитка не понадобилась.

Установка вентиляторов таким образом, чтобы поток воздуха шел параллельно ребрам радиаторов, установка дополнительного вентилятора на вдув и на выдув снизило температуру на 10 градусов.

Не оказалось необходимости делать корпус оконечного усилителя из чистой меди, резко улучшила ситуацию с теплоотводом изготовление корпуса из латуни Л96.

В данном случае стало возможным положить иммерсионное серебро прямо на латунь, без промежуточного покрытия (положить иммерсионное серебро на Д16Т без промежуточного покрытия невозможно), что резко снизило температурный градиент между усилителем HMC8205 и корпусом.

Хороший результат дает серебряный клей между корпусом и микросхемой, прежде всего для обеспечения нормальной радиочастотной земли.

Крайне неудачным решением было собирать оконечный усилитель в корпус из Д16Т с покрытием из олово-висмута в погоне за облегчением конструкции. У данного покрытия недостаточная теплопроводность, делать таким образом мощные УМ нельзя.

Окончательно, с переделкой по уму, температурный градиент между корпусом усилителя и температурой окружающего воздуха составляет 27-30 градусов.
Спасибо всем откликнувшимся за помощь в решении задачи.