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 Fmax）、高功率密度和高效率的應(yīng)用的理想選擇。與硅相比，GaN 具有達(dá) 3.4 eV 的 3 倍帶隙，達(dá) 3.3 MV/cm 的 20 倍臨界電場(chǎng)擊穿，達(dá) 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(yīng)用超出了蜂窩基站和國防雷達(dá)范疇，在所有 RF 細(xì)分市場(chǎng)中獲得應(yīng)用。

其中許多應(yīng)用需要很長(zhǎng)的使用壽命，典型的國防和電信使用場(chǎng)景需要 10 年以上的工作時(shí)間。高功率 GaN HEMT 的可靠性取決于基礎(chǔ)半導(dǎo)體技術(shù)中的峰值溫度。為了最大限度地延長(zhǎng)和提升 GaN 型放大器系統(tǒng)的壽命和性能，設(shè)計(jì)者必須充分了解熱環(huán)境及其局限性。

#1 結(jié)溫和可靠性

衡量半導(dǎo)體器件可靠性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)是平均失效時(shí)間（MTTF），這是一種統(tǒng)計(jì)方法，用于估計(jì)在給定的器件樣本經(jīng)過一定時(shí)間的測(cè)試后，單個(gè)器件失效前經(jīng)過的時(shí)間。MTTF 值通常以年表示，樣本中單個(gè)器件發(fā)生故障前經(jīng)過的時(shí)間越長(zhǎng)，MTTF 越高。

結(jié)溫 Tj，或器件中基礎(chǔ)半導(dǎo)體的溫度，與襯底材料在保持基礎(chǔ)半導(dǎo)體散熱上的作用一樣，對(duì)器件可靠性起著重要作用。與硅的 120 W/mK 熱導(dǎo)率相比，碳化硅 (SiC) 的熱導(dǎo)率為 430 W/mK，且溫度上升時(shí)，下降的更緩慢，這使得后者非常適合用于 GaN。對(duì)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(zhǎng)。[1,2]

Wolfspeed 通過在直流工作條件下對(duì) GaN HEMT 施加應(yīng)力，生成 MTTF 與結(jié)溫的曲線，其中結(jié)溫高達(dá) 375 °C。峰值結(jié)溫與 MTTF 直接相關(guān)，Wolfspeed 的所有 GaN 技術(shù)表明，在 225 °C 的峰值結(jié)溫下，MTTF 大于 10 年。

#2 GaN 結(jié)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(jié)內(nèi)，達(dá)到峰值溫度。這種結(jié)溫?zé)o法直接測(cè)量，因?yàn)樗唤饘賹幼钃酰▓D 1）。

圖 1：無法使用 IR 相機(jī)直接測(cè)量結(jié)溫或通道溫度

使用紅外 (IR) 顯微鏡可以測(cè)量的是器件表面溫度，但該溫度低于結(jié)溫。有限元分析 (FEA) 的使用允許創(chuàng)建精確的通道到表面溫差，從中可計(jì)算出結(jié)殼熱阻。因此，通過有限元法（FEM）模擬，我們可以將紅外表面測(cè)量與結(jié)關(guān)聯(lián)起來。[3]

在 Ansys 軟件中創(chuàng)建物理模型，以反映 IR 測(cè)量系統(tǒng)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(duì)稱性對(duì)模型進(jìn)行分段，以減少計(jì)算資源消耗和模擬時(shí)間（圖 2）。

圖 2：模型截面。器件夾具的底部被限制在 75°C，因?yàn)檫@是為進(jìn)行最佳器件校準(zhǔn)而取用的所有 IR 測(cè)量值對(duì)應(yīng)的散熱器溫度

放大率為 5 倍的 IR 相機(jī)分辨率約為 7 μm，而產(chǎn)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(jī)測(cè)量的是空間平均值（圖 3）。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)值明顯低于實(shí)際峰值結(jié)溫。例如，當(dāng) 7 μm 以上的空間平均溫度為 165 °C 時(shí)，峰值結(jié)溫可能高達(dá) 204 °C。

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(tǒng)計(jì)分析計(jì)算 IR 測(cè)量值與模擬結(jié)果的相關(guān)性

#3 計(jì)算熱阻

結(jié)與殼之間的溫差由熱阻引起，通過將結(jié)與殼之間傳遞的熱量乘以結(jié)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(gè)表面之間的溫差（Δ）。[4]

等式 1：

這種關(guān)系允許 Wolfspeed 計(jì)算峰值結(jié)溫并確定受測(cè)器件（DUT）的 MTTF。

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

等式 2：

熱阻計(jì)算如下。

等式 3：

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

為了獲得脈沖寬度和占空比的無數(shù)組合，使用了幾個(gè)占空比的熱阻與脈沖長(zhǎng)度的關(guān)系圖，其中脈沖長(zhǎng)度用對(duì)數(shù)表示（圖 4）。

圖 4：瞬態(tài)熱阻響應(yīng)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(tǒng)其余部分之間的界面是長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵，因?yàn)樗肓嗽O(shè)計(jì)者必須在系統(tǒng)級(jí)考慮的額外熱阻（等式 4）。

等式 4：

其中，Raj 是環(huán)境到結(jié)熱阻，Rint 是界面熱阻，Rhs 是散熱器到環(huán)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(duì)法蘭施加應(yīng)力。法蘭安裝的扭矩不得超過數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大值。[5,6]

#5 使用數(shù)據(jù)表來計(jì)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(yīng)用。元器件數(shù)據(jù)表（表 1）中的性能數(shù)據(jù)可用于計(jì)算最高耗散功率，如等式 5 和 6 所示。

表 1：使用數(shù)據(jù)表計(jì)算最高耗散功率

等式 5： 

等式 6：

將數(shù)據(jù)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(jì)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(shù)據(jù)表，我們發(fā)現(xiàn)這對(duì)應(yīng)于 1.5oC/W 的 CW 熱阻 Rθjc?，F(xiàn)在可以按照等式 7 計(jì)算峰值結(jié)溫。

等式 7：

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

#6 設(shè)計(jì)支持

在國防和商業(yè)雷達(dá)應(yīng)用以及 LTE 和 5G 部署中，RF GaN 的使用率正在迅速增加。這些應(yīng)用要求在設(shè)計(jì)時(shí)考慮可靠性。

高功率 GaN HEMT 的可靠性取決于峰值結(jié)溫，對(duì)于工程師來說，了解如何設(shè)計(jì)最新的 GaN HEMT 以滿足其設(shè)計(jì)可靠性目標(biāo)變得越來越重要。

若需設(shè)計(jì)支持，請(qǐng)立即聯(lián)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(qǐng)?jiān)L問：

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

來源：Wolfspeed