Il dissipatore di calore del prototipo [Ref. 3] è costituito da due elementi: lo chassis (una basetta di alluminio su cui fissare il circuito stampato), e un dissipatore di calore ad alette (figure 2, 3 e 4).
Figura 3: Fotografia dello chassis
Figura 4: Dissipatore ad alette generico che ai fini del progetto è stato opportunamente dimensionato
Per passare dal dispositivo di potenza al dissipatore, il calore deve attraversare diverse interfacce che devono avere una buona conducibilità termica: la prima è tra l’Heat Slug e la basetta, la seconda è il passaggio attraverso la basetta stessa, la terza è tra la basetta e lo chassis, e la quarta è tra lo chassis ed il dissipatore ad alette.
Prima interfaccia:
Secondo le indicazioni della casa produttrice Minicircuits, l’Heat Slug deve essere saldato alla basetta in modo tale che il calore generato dall’integrato passi dalla metallizzazione al PCB (Printed Circuit Board) con la massima efficacia possibile. Tuttavia ai fini della realizzazione del prototipo, per evitare che l’Hela -10 venisse danneggiato con il saldatore, è stato messo uno strato di Thermagon (materiale isolante termo conduttore) tra la base del chip e la superficie del PCB (vedi Figura 5).
Figura 5: Sezione trasversale del dispositivo HELA montato sul PCB, come consigliato dalla ditta Minicircuits (a sinistra), come
realizzato nel prototipo (a dest ra).
HELA HELA HEAT SLUG HEAT SLUG PCB PCB STAGNO FUSO VIA HOLES VIA HOLES THERMAGON
Seconda interfaccia:
Il passaggio del calore attraverso il PCB avviene grazie a dei fori nella basetta stessa (via holes) in quanto il materiale dielettrico di cui è fatto l’FR4 ha una bassa conducibilità termica. Per garantire la minore resistenza termica possibile dei via holes (ossia per fare in modo che il calore fluisca più facilmente possibile attraverso lo spessore della basetta), l’azienda Minicircuits consiglia di realizzare dei fori metallizzati con del rame e riempiti di stagno (a seconda poi del valore di resistenza termica che si vuole ottenere, si varierà il numero di fori). Questo perché il parallelo di questi due metalli offre una migliore conducibilità termica rispetto a quella che si ha con i soli via holes metallizzati: lo stagno infatti ha una migliore conducibilità termica rispetto all’aria. Tuttavia alla stazione di Medicina non sono disponibili i macchinari per realizzare dei via holes metallizzati. Nel PCB del prototipo quindi, al di sotto di ciascuno dei due Hela -10, ci sono 4 fori di 1.6 mm riempiti con dei fili di rame che hanno lo stesso diametro dei fori. Il rame ha infatti un’alta conducibilità termica [Ref. 3].
Terza interfaccia:
Il calore, una volta che ha attraversato lo spessore del PCB grazie ai via holes, deve confluire verso lo chassis passando attraverso un materiale ad alta conducibilità termica, ma isolante elettricamente. Secondo la casa produttrice Minicircuits infatti, non è opportuno saldare direttamente il PCB allo chassis a causa del loro diverso comportame nto in termini di deformazioni dovute alle variazioni di temperatura. L’azienda consiglia così di utilizzare per tale scopo un materiale come il Thermagon, che presenta buone caratteristiche dal punto di vista della termo conducibilità. La sua presenza gar antisce inoltre un contatto omogeneo tra le due superfici (PCB e chassis), le cui imperfezioni potrebbero dare origine ad una grande percentuale di vuoti, diminuendo così il passaggio del calore ed aumentando perciò la
resistenza termica complessiva dell’interfaccia. In figura 3 si può notare la presenza del Thermagon sullo chassis.
Quart a interfaccia:
A questo punto il calore che si è diffuso attraverso lo chassis deve fluire nel dissipatore ad alette. Anche in questo caso è stato messo uno strato di The rmagon tra i due componenti per garantire maggiore aderenza tra i materiali e minore resistenza termica.
In figura 6 è rappresentato uno schema di tutte le interfacce termiche.
Figura 6: Vista laterale del montaggio del chip Hela -10 secondo il metodo consigliato dall’ azienda Minicircuits
Ipotesi:
Il prototipo dell’amplificatore, realizzato alla stazione di Medicina [Ref. 3], dove non sono disponibili, come si è detto, le attrezzature necessarie per eseguire il montaggio del dispositivo esattamente nel modo che viene indicato dalla casa produttrice Minicircuits, non presenta dunque caratteristiche ottimali dal punto di vista termico.
L’ipotesi fatta è che il guadagno del dispositivo, risentendo della mancanza di un adeguato appar ato di dissipazione del calore, possa risentire dell’eccessivo incremento della temperatura del circuito. Da qui ne deriverebbe appunto la disequalizzazione in banda: osservando infatti il grafico 1 del capitolo 2, si può notare come per temperature crescenti, il flatness peggiori.
Per verificare che la temperatura sia effettivamente il fattore (o uno dei fattori) che causa l’eccessiva variazione del guadagno, sono state fatte delle misure dei parametri S dell’amplificatore, sia con l’utilizzo di una ventola che ne dissipasse maggiormente il calore, sia in condizioni normali (senza ventola). Dal confronto tra i due tipi di misure si è in grado così di confermare o meno l’ipotesi fatta.
Misure:
E’ stato utilizzato il VNA (Vector Network Analyzer) modello HP 8722D per misurare i parametri S del dispositivo nelle diverse condizioni di dissipazione del calore.
Prima di cominciare la misura è stata fatta una calibrazione Full 2 Ports, e sono stati impostati i seguenti parametri:
START: 0.05GHz; STOP: 2.05GHz; TEST PORT POWER: -35dBm; SWEEP TIME: 20s; NUMBER OF POINTS: 401.
Nei grafici riportati sono rappresentate le seguenti misure:
Grafico 1: Andamento dell’S21 in dB dell’amplificatore in tre diverse situazioni, senza ventola, con ventola per raffreddare il dissipatore ad alette (dietro), e con ventola per raffreddare direttamente il circuito (davanti).
Grafico 2: L’equazione Gain2 -Gain1 dove Gain1=S21(dB) senza ventola, e Gain2=S21(dB) con ventola sul circuito (condizione di migliore dissipazione del calore).
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Frequency (MHz)
Effetto della dissipazione del calore
21 21.25 21.5 21.75 22 22.25 22.5 22.75 23 DB(|S[2,1]|) * Prototipo_VentolaDietro_Coil DB(|S[2,1]|) * Prototipo_NoVentola_Coil DB(|S[2,1]|) * Prototipo_VentolaDavanti_Coil
Grafico 1: Guadagno del prototipo nelle diverse condizioni di dissipazione del calore
100 200 300 400 500 600 700 800 900 Frequency (MHz) DELTA_G 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 |Eqn| & G1-G2
Grafico 2: L’equazione DELTA_G=(Gain2-Gain1)
Osservazioni:
Osservando questi andamenti si possono trarre delle conclusioni molto significative: come si può osservare nel grafico 2, la differenza tra le due tracce di guadagno si mantiene in un intorno di 0.14dB fino a 650MHz, poi cresce improvvisamente fino ad arrivare a 0.25dB nell’estremo superiore della banda di interesse. Questo significa che fino a 650MHz la variazione di temperatura ha provocato una semplice traslazione della traccia dell’S21 senza variarne però il flatness, ma che nella metà superiore della banda si registra un peggioramento del flatness, con conseguente aumento della disequalizzazione.
Conclusioni:
Osservando la tabella 1 e il grafico 3, si può concludere che la temperatura del circuito influenza i valori del flatness, ma che con una buona dissipazione del calore (ottenuta posizionando una ventola direttamente sul circuito) il guadagno del dispositivo ha un range di variazione di 0.97dB, dunque appena al di sotto del valore richiesto. E’ necessario quindi investigare le altre cause che potrebbero dare luogo al peggioramento del flatness, per fare in modo che questo parametro rimang a al di sotto della specifica mantenendo un buon margine dal valore massimo consentito.
S21dB@100MHz S21dB@900MHz FLATNESS SENZA VENTOLA 22,48 21,4 1,08 VENTOLA DAVANTI 22,61 21,64 0,97 VENTOLA DIETRO 22,59 21,61 0,98
Tabella 1: Riassunto dei valori del flatness nelle tre condizioni di dissipazione del calore
FLATNESS VENTOLA DAVANTI 0,97 VENTOLA DIETRO 0,98 SPECIFICA 1 SENZA VENTOLA 1,08 0,96 0,98 1 1,02 1,04 1,06 1,08 1,1 FLATNESS