高功率 GaN RF 放大器的熱考慮因素

氮化鎵 (GaN) 是需要高頻率工作（高 F_max）、高功率密度和高效率的應用的理想選擇。與矽相比，GaN 具有達 3.4 eV 的 3 倍寬帶隙，達 3.3 MV/cm 的 20 倍臨界電場擊穿，達 2,000 cm²/V·s 的 1.3 倍電子遷移率，這意味著與 R_DS(ON) 和擊穿電壓相同的矽基元件相比，GaN RF 高電子遷移率電晶體（HEMT）的尺寸要小得多。因此，GaN RF HEMT 的應用超出了蜂窩基站和軍用雷達範疇，在所有 RF 細分市場中獲得應用。

其中許多應用需要很長的使用壽命，典型的國防和電信使用場景需要 10 年以上的工作時間。高功率 GaN HEMT 的可靠性取決於基礎半導體技術中的峰值溫度。為了最大限度地延長和提升 GaN 型放大器系統的壽命和性能，設計者必須充分瞭解熱環境及其局限性。

結溫和可靠性

衡量半導體元件可靠性的行業標準指標是平均失效時間（MTTF），這是一種統計方法，用於估計在給定的元件樣本經過一定時間的測試後，單個元件失效前經過的時間。MTTF 值通常以年表示，樣本中單個元件發生故障前經過的時間越長，MTTF 越高。

結溫 T_j，或元件中基礎半導體的溫度，與襯底材料在保持基礎半導體散熱上的作用一樣，對元件可靠性起著重要作用。與矽的 120 W/mK 熱導率相比，碳化矽 (SiC) 的熱導率為 430 W/mK，且溫度上升時，下降的更緩慢，這使得後者非常適合用於 GaN。對於類似的電晶體佈局：60 W 的功耗和 100 μm 的晶片厚度，碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC） 比 矽基氮化鎵（GaN on Si）工作溫度低 19 °C，因此 MTTF 更長。

Wolfspeed 通過在直流工作條件下對 GaN HEMT 施加應力，生成 MTTF 與結溫的曲線，其中結溫高達 375 °C。峰值結溫與 MTTF 直接相關，Wolfspeed 的所有 GaN 技術表明，在 225 °C 的峰值結溫下，MTTF 大於 10 年。

GaN 結溫和表面溫度

在 GaN HEMT 的工作過程中，電子在其中從漏極流向源極的 GaN 溝道或結內，達到峰值溫度。這種結溫無法直接測量，因為它被金屬層阻擋（圖 1）。

使用紅外 (IR) 顯微鏡可以測量的是元件表面溫度，但該溫度低於結溫。有限元分析 (FEA) 的使用允許創建精確的通道到表面溫差，從中可計算出結殼熱阻。因此，通過有限元法（FEM）模擬，我們可以將紅外表面測量與結關聯起來。

在 Ansys 軟體中創建物理模型，以反映 IR 測量系統中使用的硬體。這包括元件夾具底部 75 °C 的邊界條件，以匹配 IR 成像條件。軟體使用物理對稱性對模型進行分段，以減少計算資源消耗和模擬時間（圖2）。

放大率為 5 倍的 IR 相機解析度約為 7 μm，而產生熱量的通道寬度小於 1 μm，並埋在其他幾層材料之下。因此，IR 相機測量的是空間平均值（圖3）。由此產生的資料值明顯低於實際峰值結溫。例如，當 7 μm 以上的空間平均溫度為 165 °C 時，峰值結溫可能高達 204 °C。

計算熱阻

結與殼之間的溫差由熱阻引起，通過將結與殼之間傳遞的熱量乘以結與殼之間的熱阻而得出。下面的等式 1 將熱阻描述為空間中支援固定熱流（q）的兩個表面之間的溫差（Δ）。

等式 1:

這種關係允許 Wolfspeed 計算峰值結溫並確定受測元件（DUT）的 MTTF。

採用 FEM 熱模擬來提取熱阻 R_θjc。封裝法蘭底側的溫度保持在固定值 T_c，固定 DC 功率 P_diss 在 GaN HEMT 中耗散。計算結 （T_j）和封裝法蘭背面（T_c）之間的溫差，如等式 2 所示。

等式 2：

熱阻計算如下。

等式 3：

然而，許多使用 GaN-on-SiC HEMT 的系統在脈衝調製模式下工作，而不是在連續波（CW）模式下工作。瞭解熱阻如何回應脈衝寬度和占空比定義的瞬態而變化，以便將正確的 R_θjc 值應用到應用中，這一點很重要。

為了獲得脈衝寬度和占空比的無數組合，使用了幾個占空比的熱阻與脈衝長度的關係圖，其中脈衝長度用對數表示。（圖4）。

元件貼裝考慮因素

大功率電晶體與系統其餘部分之間的介面是長期可靠性的關鍵，因為它引入了設計者必須在系統級考慮的額外熱阻（等式4）。

等式 4：

其中，R_aj 是環境到結熱阻，R_int 是介面熱阻，R_hs 是散熱器到環境熱阻。

Wolfspeed 建議用焊接封裝的 GaN 元件以獲得最佳的熱性能。銦箔也可用作熱介面材料，但必須選擇正確的箔厚度，以避免對法蘭施加應力。法蘭安裝的扭矩不得超過資料表中規定的最大值。

使用資料表來計算T_j

以 Wolfspeed 適用於 0.5 GHz-3.0 GHz 的 CG2H30070F-AMP GaN HEMT 為例，在 25 °C 的外殼溫度下用於 CW 應用。元器件資料表（表 1）中的性能資料可用於計算最高耗散功率，如等式 5 和 6 所示。

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

等式 5：

等式 6：

將資料表中的資訊插入試算表軟體 - 頻率、P_out (dBm)、效率 (%)、P_out (W)、P_in (W) 和 P_dc (W) - 可以快速計算 P_diss (W) 並選擇最高的 P_diss，在我們的示例中，在 1.5 GHz 下為 79.8 W 或約 80 W。

參考資料表，我們發現這對應於 1.5ºC/W 的 CW 熱阻 R_θjc。現在可以按照等式 7 計算峰值結溫。

等式 7:

使用以下值：T_c = 25ºC、P_diss = 80 W 以及 R_θjc = 1.5ºC/W，得到 T_j = 145ºC。

設計支持

在國防和商業雷達應用以及 LTE 和 5G 部署中，RF GaN 的使用率正在迅速增加。這些應用要求在設計時考慮可靠性。

高功率 GaN HEMT 的可靠性取決於峰值結溫，對於工程師來說，瞭解如何設計最新的 GaN HEMT 以滿足其設計可靠性目標變得越來越重要。

References

1. Thermal Analysis and its application to High Power GaN HEMT Amplifiers (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/thermal-considerations-for-high-power-gan-rf-amplifiers/)
2. Silicon Thermal Properties (http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/thermal.html)
3. Thermal Performance Guide for High Power SiC MESFET and GaN HEMT Transistors (https://assets.wolfspeed.com/uploads/2021/06/Appnote%252010.pdf)
4. Thermal Resistance and Thermal Conductance (https://ctherm.com/resources/helpful-links-tools/thermalresistanceandconductivity/)
5. Indium Mounting Procedure (https://cms.wolfspeed.com/app/uploads/2020/12/Indium_Mounting_Procedure.pdf)
6. Eutectic Die Bond Procedure (https://cms.wolfspeed.com/app/uploads/2020/12/Appnote-2-Eutectic.pdf)