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Aerospace & Defense

高功率 GaN RF 放大器的热考虑因素

Aug 10, 2022
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氮化镓 (GaN) 是需要高频率工作(高 Fmax)、高功率密度和高效率的应用的理想选择。与硅相比,GaN 具有达 3.4 eV 的 3 倍带隙,达 3.3 MV/cm 的 20 倍临界电场击穿,达 2,000 cm2/V·s 的 1.3 倍电子迁移率,这意味着与 RDS(ON) 和击穿电压相同的硅基器件相比,GaN RF 高电子迁移率晶体管(HEMT)的尺寸要小得多。因此,GaN RF HEMT 的应用超出了蜂窝基站和军用雷达范畴,在所有 RF 细分市场中获得应用。

其中许多应用需要很长的使用寿命,典型的国防和电信使用场景需要 10 年以上的工作时间。高功率 GaN HEMT 的可靠性取决于基础半导体技术中的峰值温度。为了最大限度地延长和提升 GaN 型放大器系统的寿命和性能,设计者必须充分了解热环境及其局限性。

结温和可靠性

衡量半导体器件可靠性的行业标准指标是平均失效时间(MTTF),这是一种统计方法,用于估计在给定的器件样本经过一定时间的测试后,单个器件失效前经过的时间。MTTF 值通常以年表示,样本中单个器件发生故障前经过的时间越长,MTTF 越高。

结温 Tj,或器件中基础半导体的温度,与衬底材料在保持基础半导体散热上的作用一样,对器件可靠性起着重要作用。与硅的 120 W/mK 热导率相比,碳化硅 (SiC) 的热导率为 430 W/mK,且温度上升时,下降的更缓慢,这使得后者非常适合用于 GaN。对于类似的晶体管布局:60 W 的功耗和 100 μm 的芯片厚度,碳化硅基氮化镓(GaN on SiC) 比 硅基氮化镓(GaN on Si)工作温度低 19 °C,因此 MTTF 更长。[i][ii]

Wolfspeed 通过在直流工作条件下对 GaN HEMT 施加应力,生成 MTTF 与结温的曲线,其中结温高达 375 °C。峰值结温与 MTTF 直接相关,Wolfspeed 的所有 GaN 技术表明,在 225 °C 的峰值结温下,MTTF 大于 10 年。

GaN 结温和表面温度

图 1:无法使用 IR 相机直接测量结温或通道温度。

在 GaN HEMT 的工作过程中,电子在其中从漏极流向源极的 GaN 沟道或结内,达到峰值温度。这种结温无法直接测量,因为它被金属层阻挡(图 1)。

使用红外 (IR) 显微镜可以测量的是器件表面温度,但该温度低于结温。有限元分析 (FEA) 的使用允许创建精确的通道到表面温差,从中可计算出结壳热阻。因此,通过有限元法(FEM)模拟,我们可以将红外表面测量与结关联起来。3

在 Ansys 软件中创建物理模型,以反映 IR 测量系统中使用的硬件。这包括器件夹具底部 75 °C 的边界条件,以匹配 IR 成像条件。软件使用物理对称性对模型进行分段,以减少计算资源消耗和模拟时间( 2)。

图 2:模型截面。器件夹具的底部被限制在 75°C,因为这是为进行最佳器件校准而取用的所有 IR 测量值对应的散热器温度。

放大率为 5 倍的 IR 相机分辨率约为 7 μm,而产生热量的通道宽度小于 1 μm,并埋在其他几层材料之下。因此,IR 相机测量的是空间平均值( 3)。由此产生的数据值明显低于实际峰值结温。例如,当 7 μm 以上的空间平均温度为 165 °C 时,峰值结温可能高达 204 °C。

图 3:利用以热源为中心的 7μm 截面上模型的平均温度,通过统计分析计算 IR 测量值与模拟结果的相关性。

计算热阻

结与壳之间的温差由热阻引起,通过将结与壳之间传递的热量乘以结与壳之间的热阻而得出。下面的等式 1 将热阻描述为空间中支持固定热流(q)的两个表面之间的温差(Δ)。4

等式 1:

这种关系允许 Wolfspeed 计算峰值结温并确定受测器件(DUT)的 MTTF。

采用 FEM 热仿真来提取热阻 Rθjc。封装法兰底侧的温度保持在固定值 Tc,固定 DC 功率 Pdiss 在 GaN HEMT 中耗散。计算结 (Tj)和封装法兰背面(Tc)之间的温差,如等式 2 所示。

等式 2:

热阻计算如下。

然而,许多使用 GaN-on-SiC HEMT 的系统在脉冲调制模式下工作,而不是在连续波(CW)模式下工作。了解热阻如何响应脉冲宽度和占空比定义的瞬态而变化,以便将正确的 Rθjc 值应用到应用中,这一点很重要。

为了获得脉冲宽度和占空比的无数组合,使用了几个占空比的热阻与脉冲长度的关系图,其中脉冲长度用对数表示。( 4)。

图 4:瞬态热阻响应曲线显示了 Rθjc 如何随脉冲宽度和占空比而变化。

器件贴装考虑因素

大功率晶体管与系统其余部分之间的界面是长期可靠性的关键,因为它引入了设计者必须在系统级考虑的额外热阻(等式 4)。

等式 4:

其中,Raj 是环境到结热阻,Rint 是界面热阻,Rhs 是散热器到环境热阻。

Wolfspeed 建议用焊接封装的 GaN 器件以获得最佳的热性能。铟箔也可用作热界面材料,但必须选择正确的箔厚度,以避免对法兰施加应力。法兰安装的扭矩不得超过数据表中规定的最大值。5、6

使用数据表来计算 Tj

以 Wolfspeed 适用于 0.5 GHz-3.0 GHz 的 CG2H30070F-AMP GaN HEMT 为例,在 25 °C 的外壳温度下用于 CW 应用。元器件数据表(表 1)中的性能数据可用于计算最高耗散功率,如等式 56 所示。

Typical Performance Over 0.5 - 3.0 GHz (Tc = 25°C)

Parameter
500 MHz
1000 MHz
1500 MHz
2000 MHz
2500 MHz
3000 MHz
Units
Small Signal Gain (S21)
16.7
15.3
17.3
15
16.3
14.8
dB
Gain @ Pin= 39 dBm
10.3
10.4
10.6
9.8
11.4
10.5
dB
Output Power @ Pin= 39 dBm
85
88
90
76
109
89
W
Efficiency @ Pin= 39 dBm
63
57.5
55.6
63.4
62.1
59.8
%
Note: Operating conditions are CW
表 1:使用数据表计算最高耗散功率。

等式 5:

等式 6:

将数据表中的信息插入电子表格软件 - 频率、Pout (dBm)、效率 (%)、Pout (W)、Pin (W) 和 Pdc (W) - 可以快速计算 Pdiss (W) 并选择最高的 Pdiss,在我们的示例中,在 1.5 GHz 下为 79.8 W 或约 80 W。

参考数据表,我们发现这对应于 1.5ºC/W 的 CW 热阻 Rθjc。现在可以按照等式 7 计算峰值结温。

等式 7:

使用以下值:Tc = 25ºC、Pdiss = 80 W 以及 Rθjc = 1.5ºC/W,得到 Tj = 145ºC。

设计支持

在国防和商业雷达应用以及 LTE 和 5G 部署中,RF GaN 的使用率正在迅速增加。这些应用要求在设计时考虑可靠性。

高功率 GaN HEMT 的可靠性取决于峰值结温,对于工程师来说,了解如何设计最新的 GaN HEMT 以满足其设计可靠性目标变得越来越重要。

若需设计支持,请立即联系 Wolfspeed。


参考目录

  1. 热分析及其在高功率 GaN-HEMT 放大器中的应用 (https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/203/product/0/thermal_analysis_and_its_application_to_high_power_gan_hemt_amplifiers.pdf)
  2. 硅的热属性 (http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/thermal.html)
  3. 高功率 SiC MESFET 和 GaN HEMT 晶体管的热性能指南 (https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/195/product/0/thermal_performance_guide_for_high_power_sic_mesfet_and_gan_hemt_transistors.pdf)
  4. 热阻和热导率 (https://ctherm.com/resources/helpful-links-tools/thermalresistanceandconductivity/)
  5. 铟装架程序 (https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/1329/product/0/indium_mounting_procedure.pdf)
  6. 共晶芯片焊接程序 (https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/265/product/0/eutectic_die_attach_procedure.pdf)
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