RF功率器件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

開(kāi)發(fā)這些封裝晶體管的非線性電熱模型，使最復(fù)雜的測(cè)量和仿真技術(shù)成為可能。成功的建模還必須解決一些問(wèn)題，包括匹配網(wǎng)絡(luò)中組成部分之間以及邦定線陣列之間的電磁交互作用、熱管理、器件熱模型與電模型的自相容集成，以及建立晶體管本身的非線性模型等。

飛思卡爾采用分割的方法來(lái)開(kāi)發(fā)模型，在這種方法中，封裝晶體管被認(rèn)為是可以分為更小組成部分的系統(tǒng)，如圖7所示。每個(gè)組件被分別建模，然后獨(dú)立的模型被集成到代表封裝器件的單一模型中。這種方法降低了計(jì)算負(fù)荷并建模復(fù)雜性，并表征了內(nèi)部器件耦合的特性。這些特性包括在最終的模型中，以提高仿真精度。

封裝晶體管模型的核心是本征晶體管的非線性模型，這個(gè)非線性模型是從與偏置有關(guān)的S參數(shù)測(cè)量中提取出來(lái)的。精密的分層(deem-bedding)技術(shù)被用來(lái)描述和去除多重性以及外部組成部分，從而提取非線性模型。飛思卡爾采用Root模型和MET型來(lái)描述非線性模型。MET模型的熱模型是通過(guò)改變裸片溫度范圍的測(cè)量來(lái)決定的，并且與非線性點(diǎn)模型自相容地耦合。在普通CAD工具中，MET模型是RF功率晶體管的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)非線性模型。

在封裝內(nèi)匹配網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)源器件的模型是由線性S參數(shù)測(cè)量和電磁仿真決定的。利用高精度紅外(IR)顯微鏡的測(cè)量結(jié)構(gòu)生成封裝和散熱器的熱模型。

當(dāng)模型生成之后，通過(guò)比較模型預(yù)測(cè)與在模型生成中未被采用的獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)，開(kāi)始確認(rèn)模型工作的最后步驟。飛思卡爾基于其負(fù)荷拉移測(cè)量能力，制訂出一套行之有效的方法來(lái)確認(rèn)它的大信號(hào)模型。本質(zhì)上說(shuō)，CAD工具被用來(lái)模仿大功率器件在負(fù)載拉移測(cè)試期間觀察到的環(huán)境。在非線性諧波平衡仿真過(guò)程中，對(duì)基頻和諧波頻率下的待測(cè)器件(DUT)的負(fù)載拉移S參數(shù)進(jìn)行同步，以提出負(fù)載阻抗。測(cè)量和建模能力的配合有助于優(yōu)化模型，以匹配測(cè)量結(jié)果。

圖8和圖9是與圖6類似的硅LDMOS晶體管模型確認(rèn)的例子。該器件已經(jīng)被設(shè)計(jì)用于860和960MHz頻段N-CDMA、GSM和GSM/EDGE基站應(yīng)用，且在典型的GSM應(yīng)用中具有28V電源電壓和1,200mA靜態(tài)漏電流。該晶體管在1dB壓縮點(diǎn)能提供160WCW功率。該晶體管包括三個(gè)有源裸片，具有大約270mm的柵長(zhǎng)。封裝中包括了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)采用78個(gè)邦定線和MOS電容。組成組成部分的模型如前所述，然后利用這些組成部分構(gòu)建完整的模型。確認(rèn)部分包括了大信號(hào)模型和雙音仿真，它在脈沖條件下實(shí)現(xiàn)，以提供恒溫環(huán)境。在同樣熱條件以及輸入和輸出負(fù)載條件下進(jìn)行了負(fù)載拉移測(cè)量，并將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較。輸出功率、三階互調(diào)失真(IM3)、功率附加效率(PAE)以及轉(zhuǎn)換器增益的測(cè)量和仿真如圖8和9所示。采用分別在最大功率附加效率和最大輸出功率下諧振的已封裝晶體管，來(lái)實(shí)現(xiàn)功率掃描或拉升測(cè)量。在測(cè)試條件范圍內(nèi)，測(cè)量和仿真結(jié)果非常吻合。

塑料封裝

大功率RF和微波半導(dǎo)體晶體管一般采用OMP封裝或氣腔封裝封裝。用于大功率RF和微波應(yīng)用的晶體管要消耗大量的功率，因此它工作時(shí)的結(jié)溫很高。在封裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須遵守嚴(yán)格的熱機(jī)械設(shè)計(jì)要求，以確保該封裝可以發(fā)散晶體管產(chǎn)生的大量熱量，而不會(huì)使其電性能下降。此外，封裝必須堅(jiān)固，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度以保證蜂窩基站和廣播系統(tǒng)的可靠性。

典型的氣腔封裝和OMP封裝如圖10所示。塑料封裝晶體管的內(nèi)部成分是超模壓低損耗塑料材料。雖然新的功能性更強(qiáng)的多級(jí)大功率RF IC具有更多引腳，但大部分大功率晶體管封裝采用兩個(gè)或四個(gè)引腳。封裝針對(duì)引腳而設(shè)計(jì)，以便放置在PCB頂層微帶傳輸線上。法蘭焊盤的背面一側(cè)接觸功率放大器的散熱器，形成與微帶線底面連接器相連的導(dǎo)電連接，以及與散熱器連接的導(dǎo)熱連接，后者使得熱量從封裝晶體管傳導(dǎo)出去。

氣腔封裝是最昂貴的功率晶體管封裝形式，這歸結(jié)于氣腔封裝所采用的材料。由于功率晶體管是RF功率放大器中最貴的組成部分，所以這些氣腔封裝通常是設(shè)計(jì)和材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中降低成本的目標(biāo)。

過(guò)去六年以來(lái)，飛思卡爾已經(jīng)系統(tǒng)地重新對(duì)氣腔封裝進(jìn)行工程化，采用新的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高性能并將降低封裝成本。2004年，飛思卡爾在其封裝中對(duì)散熱器材料做了改變，將熱性能提高了15-35%。這一性能改善使業(yè)界很快接受了改善后的封裝設(shè)計(jì)。

隨著用于大功率RF晶體管塑料封裝技術(shù)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，飛思卡爾進(jìn)一步降低了封裝成本。采用OMP封裝解決方案，飛思卡爾可以提供在2.1GHz下具有130W功率的RF晶體管，與金屬陶瓷氣腔封裝產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。迄今為止，已有超過(guò)3,000萬(wàn)個(gè)超模壓封裝RF功率晶體管交付使用。此外，飛思卡爾提供超過(guò)12個(gè)不同封裝方案以及OMP封裝技術(shù)中的引腳配置，可實(shí)現(xiàn)各種功率RF IC產(chǎn)品。

這些OMP晶體管完全適用于傳統(tǒng)的大功率RF應(yīng)用。封裝、材料和生產(chǎn)工藝的基本設(shè)計(jì)來(lái)自于飛思卡爾為最苛刻的環(huán)境條件而設(shè)計(jì)的大功率汽車和工業(yè)用封裝技術(shù)。這些封裝設(shè)計(jì)可達(dá)到超過(guò)1,900年的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。OMP封裝的機(jī)械公差很小，相對(duì)傳統(tǒng)的氣腔封裝，其公差指標(biāo)有很大改善(高達(dá)50%)。很小的尺寸公差以及優(yōu)異的濕度靈敏度等級(jí)(MSL)額定值使這些封裝適合于放大器裝配的自動(dòng)化PCB生產(chǎn)。

有了氣腔外殼，OMP封裝可以可靠地工作在器件結(jié)溫度超過(guò)+200℃的情況下。集成的銅散熱器提供良好的耐熱性和散熱性，并且該封裝支持無(wú)鉛引腳(RoHS)互連工藝，在+260℃回流焊工藝中具有3或更高的MSL額定值。考慮到與標(biāo)準(zhǔn)的符合性，OMP封裝已注冊(cè)成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。

飛思卡爾在專門配備的熱分析實(shí)驗(yàn)室*估了不同封裝類型的性能。封裝晶體管的熱性能是完整的無(wú)線基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)所要求的系統(tǒng)級(jí)冷卻性能的一個(gè)主要因素。封裝的散熱能力由其熱阻決定，熱阻即為由消耗功率所產(chǎn)生的兩點(diǎn)之間的溫度差。

為獲得封裝晶體管的熱阻，飛思卡爾制訂了一套嚴(yán)格的方法，采用紅外線(IR)顯微鏡來(lái)測(cè)量工作在實(shí)際節(jié)點(diǎn)阻抗和信號(hào)激勵(lì)下的晶體管裸片的溫度。在顯微鏡下，裸片的溫度分布可以被看成是功率大小、偏置、匹配條件、頻率，甚至是所選擇的調(diào)制方式(例如WCDMA或IS-95)的函數(shù)。晶體管消耗60W功率的IR圖像照片如圖11所示。

使用IR顯微鏡可以定位出測(cè)量區(qū)域的最大裸片表面溫度。在熱測(cè)量期間，可以確定封裝晶體管的底部的溫度，并通過(guò)熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者直接在晶體管的活動(dòng)單元或產(chǎn)生熱的區(qū)域進(jìn)行定位，如圖12所示?？赏ㄟ^(guò)在晶體管的陶瓷蓋上鉆孔，或者除去蓋子來(lái)直接觀察裸片表面。對(duì)OMP封裝，可以刻蝕掉模壓封裝使裸片的表面暴露出來(lái)。

應(yīng)用工程

飛思卡爾的大功率RF器件支持團(tuán)隊(duì)包括富有創(chuàng)造力和經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用工程師，他們協(xié)助客戶對(duì)廣泛的商用工業(yè)、醫(yī)療、航空電子、廣播以及蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與故障診斷。由于現(xiàn)代RF功率放大器的系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性很高，這種任務(wù)已成為一種必然，并隨著通常設(shè)計(jì)周期時(shí)間的急劇減少而增加。飛思卡爾的RF應(yīng)用團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注這些復(fù)雜問(wèn)題，并幫助客戶在應(yīng)用中使用這些器件，使飛思卡爾的晶體管方便、快速、無(wú)縫地集成到客戶的設(shè)計(jì)中。

為縮短客戶的設(shè)計(jì)周期，飛思卡爾的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的適合GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等特定大容量應(yīng)用的RF器件示范電路。這些系統(tǒng)級(jí)電路采用小尺寸的普通和商用RF器件，以及典型的組裝流程，例如回流焊、表面貼裝或器件夾具法，證明了全部RF器件系列的性能。此外還采用了電路級(jí)效率和線性增強(qiáng)技術(shù)，比如Doherty以及模擬預(yù)矯正(APD)方法，以便讓客戶能更好地理解不同設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)。

圖13為其中一個(gè)示范電路。這個(gè)電路被用來(lái)演示完整的1,800MHz GSM產(chǎn)品系列，包括驅(qū)動(dòng)MW7IC18100N大功率RF的ICMMG3005 GPA。MMG3005是A類偏置InGaP HBTC，在1dB壓縮下