高功率GaN RF放大器的热考虑因素

氮化镓 (GaN) 是需要高频率工作（高 Fmax）、高功率密度和高效率的应用的理想选择。与硅相比，GaN 具有达 3.4 eV 的 3 倍带隙，达 3.3 MV/cm 的 20 倍临界电场击穿，达 2,000 cm2/V·s 的 1.3 倍电子迁移率，这意味着与 RDS(ON) 和击穿电压相同的硅基器件相比，GaN RF 高电子迁移率晶体管（HEMT）的尺寸要小得多。因此，GaN RF HEMT 的应用超出了蜂窝基站和军用雷达范畴，在所有 RF 细分市场中获得应用。

其中许多应用需要很长的使用寿命，典型的国防和电信使用场景需要 10 年以上的工作时间。高功率 GaN HEMT 的可靠性取决于基础半导体技术中的峰值温度。为了最大限度地延长和提升 GaN 型放大器系统的寿命和性能，设计者必须充分了解热环境及其局限性。

结温和可靠性

衡量半导体器件可靠性的行业标准指标是平均失效时间（MTTF），这是一种统计方法，用于估计在给定的器件样本经过一定时间的测试后，单个器件失效前经过的时间。MTTF 值通常以年表示，样本中单个器件发生故障前经过的时间越长，MTTF 越高。

结温 Tj，或器件中基础半导体的温度，与衬底材料在保持基础半导体散热上的作用一样，对器件可靠性起着重要作用。与硅的 120 W/mK 热导率相比，碳化硅 (SiC) 的热导率为 430 W/mK，且温度上升时，下降的更缓慢，这使得后者非常适合用于 GaN。对于类似的晶体管布局：60 W 的功耗和 100 μm 的芯片厚度，碳化硅基氮化镓（GaN on SiC） 比 硅基氮化镓（GaN on Si）工作温度低 19 °C，因此 MTTF 更长。[i]、[ii]

Wolfspeed 通过在直流工作条件下对 GaN HEMT 施加应力，生成 MTTF 与结温的曲线，其中结温高达 375 °C。峰值结温与 MTTF 直接相关，Wolfspeed 的所有 GaN 技术表明，在 225 °C 的峰值结温下，MTTF 大于 10 年。

GaN 结温和表面温度

 

图 1：无法使用 IR 相机直接测量结温或通道温度。

在 GaN HEMT 的工作过程中，电子在其中从漏极流向源极的 GaN 沟道或结内，达到峰值温度。这种结温无法直接测量，因为它被金属层阻挡（图 1）。

使用红外 (IR) 显微镜可以测量的是器件表面温度，但该温度低于结温。有限元分析 (FEA) 的使用允许创建精确的通道到表面温差，从中可计算出结壳热阻。因此，通过有限元法（FEM）模拟，我们可以将红外表面测量与结关联起来。3

在 Ansys 软件中创建物理模型，以反映 IR 测量系统中使用的硬件。这包括器件夹具底部 75 °C 的边界条件，以匹配 IR 成像条件。软件使用物理对称性对模型进行分段，以减少计算资源消耗和模拟时间（图 2）。

 

图 2：模型截面。器件夹具的底部被限制在 75°C，因为这是为进行最佳器件校准而取用的所有 IR 测量值对应的散热器温度。

放大率为 5 倍的 IR 相机分辨率约为 7 μm，而产生热量的通道宽度小于 1 μm，并埋在其他几层材料之下。因此，IR 相机测量的是空间平均值（图 3）。由此产生的数据值明显低于实际峰值结温。例如，当 7 μm 以上的空间平均温度为 165 °C 时，峰值结温可能高达 204 °C。

 

图 3：利用以热源为中心的 7μm 截面上模型的平均温度，通过统计分析计算 IR 测量值与模拟结果的相关性。

计算热阻

结与壳之间的温差由热阻引起，通过将结与壳之间传递的热量乘以结与壳之间的热阻而得出。下面的等式 1 将热阻描述为空间中支持固定热流（q）的两个表面之间的温差（Δ）。4

等式 1:

R=ΔTq⋅°C/W

这种关系允许 Wolfspeed 计算峰值结温并确定受测器件（DUT）的 MTTF。

采用 FEM 热仿真来提取热阻 Rθjc。封装法兰底侧的温度保持在固定值 Tc，固定 DC 功率 Pdiss 在 GaN HEMT 中耗散。计算结 （Tj）和封装法兰背面（Tc）之间的温差，如等式 2 所示。

等式 2：

ΔT=Tj−Tc°C

热阻计算如下。

Rθjc=ΔTPdiss⋅°C/W

然而，许多使用 GaN-on-SiC HEMT 的系统在脉冲调制模式下工作，而不是在连续波（CW）模式下工作。了解热阻如何响应脉冲宽度和占空比定义的瞬态而变化，以便将正确的 Rθjc 值应用到应用中，这一点很重要。

为了获得脉冲宽度和占空比的无数组合，使用了几个占空比的热阻与脉冲长度的关系图，其中脉冲长度用对数表示。（图 4）。

 

图 4：瞬态热阻响应曲线显示了 Rθjc 如何随脉冲宽度和占空比而变化。

器件贴装考虑因素

大功率晶体管与系统其余部分之间的界面是长期可靠性的关键，因为它引入了设计者必须在系统级考虑的额外热阻（等式 4）。

等式 4：

Raj=R（_θjc）+Rint+Rhs

其中，Raj 是环境到结热阻，Rint 是界面热阻，Rhs 是散热器到环境热阻。

Wolfspeed 建议用焊接封装的 GaN 器件以获得最佳的热性能。铟箔也可用作热界面材料，但必须选择正确的箔厚度，以避免对法兰施加应力。法兰安装的扭矩不得超过数据表中规定的最大值。5、6

使用数据表来计算 Tj

以 Wolfspeed 适用于 0.5 GHz-3.0 GHz 的 CG2H30070F-AMP GaN HEMT 为例，在 25 °C 的外壳温度下用于 CW 应用。元器件数据表（表 1）中的性能数据可用于计算最高耗散功率，如等式 5 和 6 所示。

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

 

Parameter	500 MHz	1000 MHz	1500 MHz	2000 MHz	2500 MHz	3000 MHz	Units
Small Signal Gain (S21)	16.7	15.3	17.3	15	16.3	14.8	dB
Gain @ Pin= 39 dBm	10.3	10.4	10.6	9.8	11.4	10.5	dB
Output Power @ Pin= 39 dBm	85	88	90	76	109	89	W
Efficiency @ Pin= 39 dBm	63	57.5	55.6	63.4	62.1	59.8	%
Note: Operating conditions are CW

 

表 1：使用数据表计算最高耗散功率。

等式 5：

Pdc=100×(Pout/Efficiency)

等式 6：

Pdiss=Pdc+Pin−Pout

将数据表中的信息插入电子表格软件 - 频率、Pout (dBm)、效率 (%)、Pout (W)、Pin (W) 和 Pdc (W) - 可以快速计算 Pdiss (W) 并选择最高的 Pdiss，在我们的示例中，在 1.5 GHz 下为 79.8 W 或约 80 W。

参考数据表，我们发现这对应于 1.5ºC/W 的 CW 热阻 Rθjc。现在可以按照等式 7 计算峰值结温。

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。

设计支持

在国防和商业雷达应用以及 LTE 和 5G 部署中，RF GaN 的使用率正在迅速增加。这些应用要求在设计时考虑可靠性。

高功率 GaN HEMT 的可靠性取决于峰值结温，对于工程师来说，了解如何设计最新的 GaN HEMT 以满足其设计可靠性目标变得越来越重要。

审核编辑：郭婷