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                      高功率GaN RF放大器的熱考慮因素

                      發布時間:2022-10-06 來源:Wolfspeed 責任編輯:wenwei

                      【導讀】氮化鎵 (GaN) 是需要高頻率工作(高 Fmax)、高功率密度和高效率的應用的理想選擇。與硅相比,GaN 具有達 3.4 eV 的 3 倍帶隙,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 RDS(ON) 和擊穿電壓相同的硅基器件相比,GaN RF 高電子遷移率晶體管(HEMT)的尺寸要小得多。因此,GaN RF HEMT 的應用超出了蜂窩基站和國防雷達范疇,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 的可靠性取決于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,設計者必須充分了解熱環境及其局限性。


                      #1 結溫和可靠性


                      衡量半導體器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,用于估計在給定的器件樣本經過一定時間的測試后,單個器件失效前經過的時間。MTTF 值通常以年表示,樣本中單個器件發生故障前經過的時間越長,MTTF 越高。


                      結溫 Tj,或器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,對器件可靠性起著重要作用。與硅的 120 W/mK 熱導率相比,碳化硅 (SiC) 的熱導率為 430 W/mK,且溫度上升時,下降的更緩慢,這使得后者非常適合用于 GaN。對于類似的晶體管布局:60 W 的功耗和 100 μm 的芯片厚度,碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC) 比 硅基氮化鎵(GaN on Si)工作溫度低 19 °C,因此 MTTF 更長。[1,2]


                      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 大于 10 年。


                      #2 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)。


                      5.jpg

                      圖 1:無法使用 IR 相機直接測量結溫或通道溫度


                      使用紅外 (IR) 顯微鏡可以測量的是器件表面溫度,但該溫度低于結溫。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。[3]


                      在 Ansys 軟件中創建物理模型,以反映 IR 測量系統中使用的硬件。這包括器件夾具底部 75 °C 的邊界條件,以匹配 IR 成像條件。軟件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)。


                      6.jpg

                      圖 2:模型截面。器件夾具的底部被限制在 75°C,因為這是為進行最佳器件校準而取用的所有 IR 測量值對應的散熱器溫度


                      放大率為 5 倍的 IR 相機分辨率約為 7 μm,而產生熱量的通道寬度小于 1 μm,并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)。由此產生的數據值明顯低于實際峰值結溫。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。


                      7.jpg

                      圖 3:利用以熱源為中心的 7μm 截面上模型的平均溫度,通過統計分析計算 IR 測量值與模擬結果的相關性


                      #3 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持固定熱流(q)的兩個表面之間的溫差(Δ)。[4]


                      等式 1:


                      1663584738599198.png


                      這種關系允許 Wolfspeed 計算峰值結溫并確定受測器件(DUT)的 MTTF。


                      采用 FEM 熱仿真來提取熱阻 Rθjc。封裝法蘭底側的溫度保持在固定值 Tc,固定 DC 功率 Pdiss 在 GaN HEMT 中耗散。計算結 (Tj)和封裝法蘭背面(Tc)之間的溫差,如等式 2 所示。


                      等式 2:


                      1663584716286652.png


                      熱阻計算如下。


                      等式 3:


                      1663584701805755.png


                      然而,許多使用碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC)HEMT 的系統在脈沖調制模式下工作,而不是在連續波(CW)模式下工作。了解熱阻如何響應脈沖寬度和占空比定義的瞬態而變化,以便將正確的 Rθjc 值應用到應用中,這一點很重要。


                      為了獲得脈沖寬度和占空比的無數組合,使用了幾個占空比的熱阻與脈沖長度的關系圖,其中脈沖長度用對數表示(圖 4)。


                      11.jpg

                      圖 4:瞬態熱阻響應曲線顯示了 Rθjc 如何隨脈沖寬度和占空比而變化


                      #4 器件貼裝考慮因素


                      大功率晶體管與系統其余部分之間的界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:


                      1663584675400832.png


                      其中,Raj 是環境到結熱阻,Rint 是界面熱阻,Rhs 是散熱器到環境熱阻。


                      Wolfspeed 建議用焊接封裝的 GaN 器件以獲得最佳的熱性能。銦箔也可用作熱界面材料,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數據表中規定的最大值。[5,6]


                      #5 使用數據表來計算 Tj


                      以 Wolfspeed 適用于 0.5 GHz - 3.0 GHz 的 CG2H30070F-AMP GaN HEMT 為例,在 25 °C 的外殼溫度下用于 CW 應用。元器件數據表(表 1)中的性能數據可用于計算最高耗散功率,如等式 5 和 6 所示。


                      13.jpg

                      表 1:使用數據表計算最高耗散功率


                      等式 5: 


                      14.png


                      等式 6:


                      1663584630307632.png


                      將數據表中的信息插入電子表格軟件 - 頻率、Pout (dBm)、效率 (%)、Pout (W)、Pin (W) 和 Pdc (W) - 可以快速計算 Pdiss (W) 并選擇最高的 Pdiss,在我們的示例中,在 1.5 GHz 下為 79.8 W 或約 80 W。


                      參考數據表,我們發現這對應于 1.5oC/W 的 CW 熱阻 Rθjc?,F在可以按照等式 7 計算峰值結溫。


                      等式 7:


                      1663584490539090.png


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


                      #6 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 的可靠性取決于峰值結溫,對于工程師來說,了解如何設計最新的 GaN HEMT 以滿足其設計可靠性目標變得越來越重要。


                      若需設計支持,請立即聯系 Wolfspeed。


                      參考資料:


                      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)


                      英文原稿,敬請訪問:

                      https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/thermal-considerations-for-high-power-gan-rf-amplifiers/


                      來源:Wolfspeed



                      免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯系小編進行處理。


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