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 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軍用雷達范疇，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(tǒng)的壽命和性能，設計者必須充分了解熱環(huán)境及其局限性。

結溫和可靠性

衡量半導體器件可靠性的行業(yè)標準指標是平均失效時間（MTTF），這是一種統(tǒng)計方法，用于估計在給定的器件樣本經(jīng)過一定時間的測試后，單個器件失效前經(jīng)過的時間。MTTF 值通常以年表示，樣本中單個器件發(fā)生故障前經(jīng)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。[i]、[ii]

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。

GaN 結溫和表面溫度

圖 1：無法使用 IR 相機直接測量結溫或通道溫度。

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(chuàng)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(lián)起來。3

在 Ansys 軟件中創(chuàng)建物理模型，以反映 IR 測量系統(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）。

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(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 相機測量的是空間平均值（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。

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)計分析計算 IR 測量值與模擬結果的相關性。

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:

R=ΔTq?°C/W

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：

ΔT=Tj?Tc°C

熱阻計算如下。

Rθjc=ΔTPdiss?°C/W

然而，許多使用 GaN-on-SiC HEMT 的系統(tǒng)在脈沖調制模式下工作，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(shù)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(shù)表示。（圖 4）。

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

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期可靠性的關鍵，因為它引入了設計者必須在系統(tǒng)級考慮的額外熱阻（等式 4）。

等式 4：

Raj=R（_θjc）+Rint+Rhs

其中，Raj 是環(huán)境到結熱阻，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，以避免對法蘭施加應力。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

使用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表（表 1）中的性能數(shù)據(jù)可用于計算最高耗散功率，如等式 5 和 6 所示。

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

表 1：使用數(shù)據(jù)表計算最高耗散功率。

等式 5：

Pdc=100×(Pout/Efficiency)

等式 6：

Pdiss=Pdc+Pin?Pout

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)這對應于 1.5oC/W 的 CW 熱阻 Rθjc?，F(xiàn)在可以按照等式 7 計算峰值結溫。

等式 7:

Tj=Tc+(Pdiss×Rθjc)

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

設計支持

在國防和商業(yè)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。

審核編輯：郭婷