功率放大器可靠性的新標準

其中：
t1=溫度t1的平均故障時間
t2=溫度t2的平均故障時間
ea=活化能 (制程特性)
t1=計算t1時的溫度(開氏溫度)
t2=計算t2時的溫度(開氏溫度)
方程式(1)會根據(jù)已知的平均故障時間 (t1)、故障活化能 (ea) 和故障溫度 (t1) 來計算溫度為t2時的平均故障時間 (t2)。活化能是讓半導(dǎo)體組件出現(xiàn)特定故障現(xiàn)象的所需能量，方程式(1)經(jīng)過整理后可得到方程式 (2)，它以平均故障時間 (mttf) 來代表產(chǎn)品壽命。

從圖1可清楚的看出，可靠性與組件操作溫度的關(guān)系非常密切，例如活化能較高的制程雖在溫度低于125℃時有較長的壽命，但當(dāng)操作溫度達到150℃時，低活化能制程的操作壽命就會比高活化能制程的壽命多出30億小時。圖1曲線的斜率代表該制程的活化能，因此曲線相對于溫度的斜率越大，就表示其故障率隨著溫度增加的越快。

功率放大器的接合溫度會受哪些因素影響

類似于歐姆定律的熱模型，是最常用的峰值接合溫度分析法，它會以電流源 (單位為瓦特) 代表任何熱源，同時為所有材料指定熱阻抗 (單位為℃/w)，這些材料還能儲存熱量，它們稱為熱容量 (j/℃)，并以電容來代表。

圖2是功率放大器的單晶粒封裝模型。在執(zhí)行靜態(tài)分析時，應(yīng)將電容忽略，此時接合溫度就如同方程式 (3) 所示，相當(dāng)于環(huán)境溫度ta加上功耗與系統(tǒng)熱阻抗的乘積。動態(tài)分析則必須將熱容量一并列入考慮。

上述分析適用于封裝導(dǎo)熱性良好并在250 mw輸出功率下操作的功率放大器。由于無線網(wǎng)絡(luò)輸出功率較小，設(shè)計人員很容易將溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，使產(chǎn)品擁有更長壽命。

前述計算都假設(shè)負載為50 ，圖3則是功率放大器在惡劣條件下工作的例子，它假設(shè)天線阻抗不匹配 (負載不等于50 )并導(dǎo)致部分功率反射回功率放大器。阻抗不匹配的情形若很嚴重，從天線輻射出去的功率就會變得很少。由于物理定律要求能量守恒，反射回功率放大器的能量最終會以熱量的形式散逸；反之，功率放大器若因這些反射功率而溫度升高，就表示電話真正送出的功率并不多。必須注意的是在這些條件下，電話可能會因為發(fā)射功率不足發(fā)生斷線現(xiàn)象。

組件溫度究竟會受到阻抗不匹配的多大影響，主要是由其所采用的制程技術(shù)決定。硅芯片等熱導(dǎo)體的熱阻抗很小，因此散熱效率極高；gaas等熱絕緣體的導(dǎo)熱性很差，故其溫度在阻抗不匹配情形下通常會變得較高。
要充份體會散熱管理的重要性，就應(yīng)考慮gsm功率放大器在最惡劣條件下的操作，這有助于了解溫度升高對于組件可靠性的沖擊。
下面的例子代表最惡劣的操作條件，設(shè)計人員在分析時應(yīng)將其列入考慮：
（1）gsm功率放大器的傳送功率為34.5 dbm (最大功耗)；

（2）工作效率50% (電源電壓很高時，實際效率還可能更低)；

（3）層壓封裝 (laminate package，熱阻抗值最大)；

（4）10:1輸出阻抗不匹配 (最惡劣條件下的負載阻抗)；

（5） 50%負載周期(gprs class 12)；

（6） 環(huán)境溫度85℃。

業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)廠商從1999年起就了解到層壓基板的問題很多，因此根據(jù)層壓封裝的熱阻抗進行計算最能顯示組件在惡劣條件下的操作情形，但由于功率放大器制造商并未公布層壓封裝的熱阻抗值，因此下面將以導(dǎo)線架封裝的相關(guān)參數(shù)進行計算。我們將使用rf3220的參數(shù)數(shù)據(jù)，因為它是采用導(dǎo)線架封裝的異質(zhì)接合雙極晶體管 (heterojunction bipolar transistor)。

利用方程式 (2) 和 (3) 可計算出理想條件下的平均故障時間約為8 105年，典型操作條件下則為1.9 103年，最惡劣條件下的平均故障時間則減少至僅約1年；若以層壓封裝的熱阻抗和動態(tài)熱模型進行計算，那么平均故障時間還會進一步縮短。 值得注意的是平均故障時間僅代表組件從開始到發(fā)生故障的平均時間，要了解最惡劣條件下的故障會于何時出現(xiàn)，必須考慮這項統(tǒng)計資料的分布情形。標準品質(zhì)程序規(guī)定制程能力 (cpk) 為1.5，這相當(dāng)于4.5個標準差。對于所討論的制程，其平均故障時間的標準差在對數(shù)坐標上為0.6。由于必須在對數(shù)坐標減掉4.5個標準差，而對數(shù)坐標的減法又相當(dāng)于線性坐標的除法，因此前述的所有平均故障時間都要除以4.5 100.6，這表示最惡劣條件下的故障時間實際上比平均故障時間還要減少17.92倍。這些結(jié)果顯示若將最惡劣條件以及制程所導(dǎo)致的壽命時間分布列入考慮，功率放大器的實際壽命可能從原來的幾千年縮短到少于一個月。

到目前為止，對于熱模型的討論都沒有考慮功率放大器的實際應(yīng)用環(huán)境。在真實世界里，功率放大器會安裝到電路板上，該電路板則會被熱阻抗很高的封裝材料包起來，功率放大器四周還會有許多不同的熱源。
要精確分析移動電話內(nèi)的功率放大器接合溫度，必須建立圖4所示的模型，其中每顆組件都必須由一個會散發(fā)熱量的功率源代表。

從圖4很容易看出移動電話的熱模型非常復(fù)雜，幾乎不可能以人工方式進行計算，需要三度空間熱仿真軟件才能精確預(yù)測接合溫度的最大值；換言之，要精確預(yù)測功率放大器在手機內(nèi)的壽命時間幾乎是不可能的任務(wù)。

如果功率放大器設(shè)計采用gaas等熱阻抗較高的制程技術(shù)，那么仿真結(jié)果的精確度還會變得更糟，這是因為gaas的熱阻抗可達到硅芯片三倍。除此之外，gaas的熱阻抗還會隨著溫度而改變，接合溫度升高，熱阻抗也會變大，如果設(shè)計人員使用的熱模型是從理想環(huán)境推導(dǎo)出來，那么它就可能出現(xiàn)極大誤差。根據(jù)其他深入分析的結(jié)果，許多組件因素都會增加這類模型的復(fù)雜性，這些因素包括： （1） 射極指狀結(jié)構(gòu)(emitter finger)的間距會對熱耦合造成重大影響；

（2）gaas異質(zhì)接合雙極晶體管的自熱特性；

（3）偏壓電流可能導(dǎo)致組件的某個部份溫度特別高；

（4） 偏壓電流的變動；

（5）較長的射極指狀結(jié)構(gòu)會使得整個組件出現(xiàn)較大的熱梯度，同時讓射極指狀結(jié)構(gòu)的某些部份出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象；

（6）需要非對稱組件結(jié)構(gòu)才能維持均勻的溫度分布。
功率放大器仍是手機故障率最高的零件，其原因從熱模型的復(fù)雜性和它對于溫度的極端敏感性即可看出。因此，改善功率放大器的可靠性變得非常重要。目前有兩種方法能夠解決這個問題，第一種方法是建立更復(fù)雜的模型，利用它來精確預(yù)測最惡劣條件下的接合溫度。然而建模并不能解決問題，它只能預(yù)測故障何時發(fā)生。第二種方法則是以特別方法設(shè)計功率放大器，使其溫度永遠不會升高到危險地步，這種做法應(yīng)成為新一代功率放大器的可靠性標準。

過熱保護電路是解決這個問題的簡單方法，設(shè)計人員可將溫度傳感器放在晶粒旁邊，由它來偵測接合的最大溫度。溫度傳感器的設(shè)計有許多方式，圖5即是一例：通過晶體管的電流會因為溫度改變而出現(xiàn)某些變化，這個變化電流會在電阻上形成電壓變動，對數(shù)放大器會感測這個變動電壓，然后產(chǎn)生正比于溫度的輸出值，最后再由比較電路提供誤差值輸出。當(dāng)溫度超過默認值時，誤差輸出就會改變狀態(tài)，代表此時應(yīng)將功率放大器關(guān)掉。這個電路的輸出可用來驅(qū)動某種禁能電路，由它來限制接合的最大溫度。

此電路確保功率放大器永遠不會進入可能導(dǎo)致組件壽命大幅縮短的危險操作區(qū)，這樣就能免除復(fù)雜困難的建模需求，并協(xié)助降低功率放大器的瑕疵率。多數(shù)功率放大器模塊都包含許多芯片，故讓功率放大器內(nèi)建保護電路以確保產(chǎn)品可靠性的做法也應(yīng)成為業(yè)界標準。

溫度傳感器的位置需視制程技術(shù)而定，若組件采用硅芯片等熱阻抗很小的制程技術(shù)，傳感器的位置就變得不重要，因為硅芯片可將熱量均勻散開。但若組件采用gaas之類熱阻抗很高的制程技術(shù)，溫度傳感器的位置就應(yīng)盡量靠近晶粒最熱的部份。

功率放大器若未包含過熱保護電路，則為其建立模型時就要非常小心。如前所述，許多因素都必須納入模型才能得到精確的結(jié)果，某些制程的平均故障時間估計值也可能出現(xiàn)不一致的情形。

盡管科技發(fā)展已有長足進步，我們?nèi)皂毸伎既绾卫^續(xù)改善功率放大器品質(zhì)。移動電話整合的功能越來越多，因此在加強射頻單元時，其成果必須能讓工程師把更多資源用于新增功能，而非局限在射頻電路。要達成這個目標，可能的做法包括：

（1）確保組件資料表的全部規(guī)格都適用于所有操作條件 (溫度、電壓等) 。

（2）改善功率放大器的額定濕度敏感性 (moisture sensitivity)。

（3）增加電壓過載保護電路，以便在阻抗不匹配時保護功率放大器。

結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)代品質(zhì)標準，組件設(shè)計必須避免任何可能導(dǎo)致?lián)p壞的操作模式。目前所有電路設(shè)計都已遵循這項標準，除了功率放大器之外。 設(shè)計人員如果選擇了沒有過熱保護電路的功率放大器，那么他們應(yīng)要求供貨商提供該組件在邊界操作條件下 (corner lots) 的平均故障時間資料，其中包括偏壓電流、輸出功率和效率的各種極端組合。除此之外，功率放大器供貨商還須提供50%負載周期等最惡劣操作條件以及10:1 駐波比等最惡劣電流下的平均故障時間資料。供貨商也應(yīng)提供平均值和標準差的信心值等各種信心區(qū)間資料，這應(yīng)該包括所有故障平均時間資料的標準差，它們可用來計算這些統(tǒng)計資料的信心值。最后，供貨商應(yīng)提供以晶粒最熱部份為參考點的全封裝熱阻抗和熱容量。

要搜集這么多資料并不容易，設(shè)計人員應(yīng)該采更簡單有效的方法。功率放大器應(yīng)能監(jiān)測自己的溫度，并在溫度超過容許范圍時減少操作量，這種設(shè)計方法應(yīng)該成為功率放大器可靠性的新標準。