Исследование тепловых режимов усилителя мощности СВЧ диапазона в SMD-исполнении

В статье приведены результаты численного исследования тепловых режимов усилителя мощности СВЧ, выполненного в SMD-корпусе, направленного на оценку влияния конструктивных параметров корпуса на эффективность теплоотвода и максимальную температуру активной области кристалла. Актуальность исследования обусловлена ростом плотности рассеиваемой мощности в радиоэлектронных устройствах СВЧ диапазона, что приводит к увеличению тепловых нагрузок на полупроводниковые приборы и их корпуса. В условиях ограниченных возможностей теплоотвода стандартные конструкции корпусов типа QFN не всегда обеспечивают требуемый тепловой режим, что снижает надежность и стабильность работы усилителей мощности. Целью работы является исследование влияния конфигурации SMD-корпуса на тепловой режим усилителя мощности СВЧ диапазона и выявление конструктивных решений, обеспечивающих снижение максимальной температуры активной области кристалла при заданной рассеиваемой мощности. В работе выполнено численное исследование тепловых режимов усилителя мощности СВЧ при различных конфигурациях SMD-корпуса. На основе стационарной модели теплопереноса с использованием индуцированной модели тепловыделения получены температурные поля для ряда конструктивных вариантов корпуса. Установлены количественные зависимости между параметрами конфигурации корпуса и максимальной температурой кристалла, а также показано, что применение системы тепловых переходных отверстий и размещение металлического основания корпуса в вырезе печатной платы позволяет существенно снизить тепловое сопротивление теплового тракта. Полученные результаты позволяют обоснованно выбирать конфигурацию SMD-корпуса усилителей мощности СВЧ под область активного тепловыделения конкретного кристалла с целью снижения максимальной рабочей температуры кристалла без изменения типа корпуса и технологии монтажа. Представленные результаты могут быть использованы на ранних этапах проектирования полупроводниковых приборов для сокращения числа численных и натурных экспериментов и повышения надежности СВЧ-устройств.

1. Qin Y., Albano B., Spencer J., et al. Thermal management and packaging of wide and ultra-wide bandgap power devices: a review and perspective. Journal of Physics D: Applied Physics. 2023;56(9). https://doi.org/10.1088/1361-6463/acb4ff

2. Rao X., Huang K., Wu Y.-P., Zhang H., Xiao Ch. Analysis of ballistic thermal resistance in FinFETs considering Joule heating effects. Micro and Nanostructures. 2025;201. https://doi.org/10.1016/j.micrna.2025.208113

3. Belguith M., Eloued S., Kadi M., Slama J.B.H., Hamouda M. A review of thermal management techniques adopted for high-power-density GaN-based converters. Chips. 2026;5(1). https://doi.org/10.3390/chips5010004

4. Yuan Z., Ding D., Zhang W. Effect of thermal via design on heat dissipation of high-lead QFN packages mounted on PCB. Applied Sciences. 2023;13(23). https://doi.org/10.3390/app132312653

5. Hollstein K., Yang X., Weide-Zaage K. Thermal analysis of the design parameters of a QFN package soldered on a PCB using a simulation approach. Microelectronics Reliability. 2021;120. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2021.114118

6. Paret P., Moreno G., Kekelia B., et al. Thermal and thermomechanical modeling to design a gallium oxide power electronics package. In: 2018 IEEE 6th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), 31 October – 02 November 2018, Atlanta, USA. IEEE; 2018. P. 287–294. https://doi.org/10.1109/WiPDA.2018.8569139

7. Bill C.J., Hu B., Lin M., et al. Advanced QFN packaging for low cost and solution. In: 2010 11th International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, 16–19 August 2010, Xi'an, China. IEEE; 2010. P. 45–49. https://doi.org/10.1109/ICEPT.2010.5582373

8. Peng Y. Research of thermal analysis collaboratively using ANSYS Workbench and SolidWorks Simulation. Applied Mechanics and Materials. 2012;127:262–266. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.127.262

9. Bergman Th.L., Lavine A.S., Incropera F.P., DeWitt D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Hoboken: John Wiley & Sons; 2011. 1048 p.

10. Lasance C.J.M., Vinke H., Rosten H. Thermal characterization of electronic devices with boundary condition independent compact models. IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part A. 1995;18(4):723–731. https://doi.org/10.1109/95.477457

11. Meneghesso G., Verzellesi G., Danesin F., et al. Reliability of GaN high-electron-mobility transistors: State of the art and perspectives. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2008;8(2):332–343. https://doi.org/10.1109/TDMR.2008.923743