eng
Выпуск #9/2018
Волосов Анатолий Викторович Панасенко Петр Васильевич Пяточкин Михаил Дмитриевич
Моделирование тепловых процессов в СВЧ-модулях с различными основаниями
Моделирование тепловых процессов в СВЧ-модулях с различными основаниями
Просмотры: 1734
Работа посвящена моделированию тепловых процессов в СВЧ приемо-передающих модулях (ППМ). Приведены результаты моделирования влияния материала коммутационной платы и конфигурации сквозных металлизированных отверстий на ее теплопроводность, показано распределение температурных полей, установившееся при штатной работе устройства. Исследованы варианты исполнения ППМ на многослойной плате из низкотемпературной керамики, на многослойных полимерных печатных платах и на основе кремниевых коммутационных плат, проведен анализ полученных результатов и их сравнение с данными экспериментальных исследований.
УДК 621.396.61, 621.396.62
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.443.444
УДК 621.396.61, 621.396.62
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.443.444
Теги: active phased array interposer low-temperature co-fired ceramics microwave receiving-transmitting module silicon thermal processes активная фазированная антенная решетка интерпозер кремний низкотемпературная керамика приемо-передающий модуль свч тепловые процессы
Определяющими компонентами современных активных фазированных антенных решеток (АФАР) являются СВЧ МИС на основе таких полупроводниковых соединений, как GaN и GaAs.
КПД СВЧ элементной базы на основе этих полупроводников, как правило, не превышает 50 %, что при выходной мощности 20–30 Вт делает задачу отвода тепла крайне актуальной. Современные тенденции уменьшения габаритных размеров ППМ и увеличения их выходной мощности делают проблему теплоотвода все более острой, так как широко используемые в настоящее время материалы (LTCC и печатные платы на полимерной основе) имеют неудовлетворительные тепловые характеристики [1–3].
В последнее время появились работы, которые показывают возможность формирования коммутационной платы на основе кремния, технология интегральных схем на котором с точки зрения коммутационной платы СВЧ-модуля практически снимает топологические ограничения и существенно улучшает теплоотводящие свойства платы. Использование кремния в качестве коммутационной платы дает также ряд дополнительных преимуществ по сравнению с традиционными материалами. Во-первых, теплопроводность кремния примерно в 40 раз выше, чем у низкотемпературной керамики, и практически сравнима с теплопроводностью, например, псевдосплавов, применяемых для согласования термического расширения кристаллов СВЧ МИС и меди. Во-вторых, топологические нормы кремниевой технологии намного превосходят возможности технологии многослойных плат на LTCC и полимерах. В-третьих, применение тонкопленочных конденсаторов, интегрированных в кремниевую коммутационную плату, вместо традиционно используемых чип-конденсаторов многократно снижает объем индивидуальных сборочных операций и повышает надежность СВЧ-узла [4, 5].
В настоящей работе в целях определения перспективности разработки коммутационных плат на альтернативных материалах проведено сравнительное моделирование тепловых процессов в различных конструктивных решениях.
Моделирование проводилось при заданной выделяемой тепловой мощности с поверхности кристалла усилителя мощности, температура окружающей среды принималась равной 22 °C, также учитывался теплообмен с окружающей средой.
Исследованы варианты ППМ на основе многослойной платы из низкотемпературной керамики, многослойных полимерных печатных платах и кремниевых коммутационных платах различного конструктивного исполнения, проведен сравнительный анализ полученных результатов.
Основные результаты моделирования приведены на рис. 1 и в табл. 1.
Выводы: в результате моделирования показано, что кремний в качестве многослойной СВЧ коммутационной платы обеспечивает намного лучший теплоотвод, чем традиционные материалы печатных плат. Показано, что в процесс теплоотвода на кремниевом основании наряду с прямым теплоотводом (перпендикулярным плоскости тепловыделяющих элементов) заметный вклад вносит латеральный теплоотвод. Показано, что определяющий вклад в процесс теплоотвода для кремниевых плат вносит сам материал, а металлизированные отверстия, как тепловые стоки, увеличивают теплопроводность примерно на 10 %, в то время как LTCC улучшает свои теплопроводящие свойства только за счет тепловых стоков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кондратюк Р. LTCC — низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Промышленные нанотехнологии, 2011 год.
2. www.lsi.usp.br/~gongora/TEC_ENC/TEC-ENC_12.pdf.
3. www.ferro.com/non-cms/ems/EPM/content/docs/Ferro%20LTCC%20Design%20Guide.pdf.
4. Красников Г. Я., Волосов А. В., Котляров Е. Ю., Панасенко П. В., Тишин А. С. Микроминиатюризация приемопередающих субмодулей см-диапазона // Наноиндустрия. Спецвыпуск, 2017 (74). — С. 455–457.
5. Красников Г. Я., Панасенко П. В., Волосов А. В. Конструктивно-технологические принципы создания СВЧ элементной базы нового поколения на основе объемных технологий современной кремниевой микроэлектроники // Наноиндустрия. Спецвыпуск, 2017 (74). — С. 529–530.
КПД СВЧ элементной базы на основе этих полупроводников, как правило, не превышает 50 %, что при выходной мощности 20–30 Вт делает задачу отвода тепла крайне актуальной. Современные тенденции уменьшения габаритных размеров ППМ и увеличения их выходной мощности делают проблему теплоотвода все более острой, так как широко используемые в настоящее время материалы (LTCC и печатные платы на полимерной основе) имеют неудовлетворительные тепловые характеристики [1–3].
В последнее время появились работы, которые показывают возможность формирования коммутационной платы на основе кремния, технология интегральных схем на котором с точки зрения коммутационной платы СВЧ-модуля практически снимает топологические ограничения и существенно улучшает теплоотводящие свойства платы. Использование кремния в качестве коммутационной платы дает также ряд дополнительных преимуществ по сравнению с традиционными материалами. Во-первых, теплопроводность кремния примерно в 40 раз выше, чем у низкотемпературной керамики, и практически сравнима с теплопроводностью, например, псевдосплавов, применяемых для согласования термического расширения кристаллов СВЧ МИС и меди. Во-вторых, топологические нормы кремниевой технологии намного превосходят возможности технологии многослойных плат на LTCC и полимерах. В-третьих, применение тонкопленочных конденсаторов, интегрированных в кремниевую коммутационную плату, вместо традиционно используемых чип-конденсаторов многократно снижает объем индивидуальных сборочных операций и повышает надежность СВЧ-узла [4, 5].
В настоящей работе в целях определения перспективности разработки коммутационных плат на альтернативных материалах проведено сравнительное моделирование тепловых процессов в различных конструктивных решениях.
Моделирование проводилось при заданной выделяемой тепловой мощности с поверхности кристалла усилителя мощности, температура окружающей среды принималась равной 22 °C, также учитывался теплообмен с окружающей средой.
Исследованы варианты ППМ на основе многослойной платы из низкотемпературной керамики, многослойных полимерных печатных платах и кремниевых коммутационных платах различного конструктивного исполнения, проведен сравнительный анализ полученных результатов.
Основные результаты моделирования приведены на рис. 1 и в табл. 1.
Выводы: в результате моделирования показано, что кремний в качестве многослойной СВЧ коммутационной платы обеспечивает намного лучший теплоотвод, чем традиционные материалы печатных плат. Показано, что в процесс теплоотвода на кремниевом основании наряду с прямым теплоотводом (перпендикулярным плоскости тепловыделяющих элементов) заметный вклад вносит латеральный теплоотвод. Показано, что определяющий вклад в процесс теплоотвода для кремниевых плат вносит сам материал, а металлизированные отверстия, как тепловые стоки, увеличивают теплопроводность примерно на 10 %, в то время как LTCC улучшает свои теплопроводящие свойства только за счет тепловых стоков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кондратюк Р. LTCC — низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Промышленные нанотехнологии, 2011 год.
2. www.lsi.usp.br/~gongora/TEC_ENC/TEC-ENC_12.pdf.
3. www.ferro.com/non-cms/ems/EPM/content/docs/Ferro%20LTCC%20Design%20Guide.pdf.
4. Красников Г. Я., Волосов А. В., Котляров Е. Ю., Панасенко П. В., Тишин А. С. Микроминиатюризация приемопередающих субмодулей см-диапазона // Наноиндустрия. Спецвыпуск, 2017 (74). — С. 455–457.
5. Красников Г. Я., Панасенко П. В., Волосов А. В. Конструктивно-технологические принципы создания СВЧ элементной базы нового поколения на основе объемных технологий современной кремниевой микроэлектроники // Наноиндустрия. Спецвыпуск, 2017 (74). — С. 529–530.
Отзывы читателей
