盛 重，陳曉青

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

T/R組件是構(gòu)成有源相控陣?yán)走_(dá)天線的基礎(chǔ)，是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件[1]。然而T/R組件中的功率放大器芯片工作時(shí)，輸出功率只占其輸入功率的一部分，其功率損耗都會(huì)以熱能形式散發(fā)出去。長(zhǎng)時(shí)間熱能的聚集會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生過(guò)高的溫度，致使芯片的可靠性降低并失效。隨著功率放大器芯片的性能指標(biāo)、功率密度以及可靠性要求的進(jìn)一步提高，其熱設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要。

對(duì)T/R組件熱設(shè)計(jì)和熱分析，早已引起國(guó)內(nèi)外研究者的重視。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，生產(chǎn)出成品后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要重復(fù)修改，顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已不能滿足生產(chǎn)需要[2]。熱仿真能夠在產(chǎn)品開始生產(chǎn)之前確定和消除熱問(wèn)題，借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，改善產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，縮短研制周期。

文中基于熱仿真軟件Flotherm，通過(guò)與紅外熱像儀測(cè)試下的GaAs功率放大器芯片結(jié)溫對(duì)比，兩者溫度的誤差率低于6%，從而驗(yàn)證了仿真軟件的可靠性。并使用該軟件對(duì)T/R組件的散熱片進(jìn)行了優(yōu)化處理，達(dá)到了對(duì)T/R組件散熱的目的，提高了T/R組件工作時(shí)的可靠性。

2 基本理論

2.1 熱分析基本理論

熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱是傳熱的3種基本形式。熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律是傅里葉定律；對(duì)流換熱是指固體表面與它周圍接觸的流體之間，由于存在溫度差而引起的熱量交換，對(duì)流換熱可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流；輻射換熱指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)換為熱的熱量交換過(guò)程，在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。

2.2 熱設(shè)計(jì)的基本方法

熱設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一種是選用耐高溫的元器件，另一種只采用熱控制的方法。第一種方法選用耐高溫的元器件，即提高元器件允許的工作溫度，但是有時(shí)根本找不到更耐高溫的器件，因此工程上一般不推薦使用此方法。第二種方法即熱控制方法，其核心是對(duì)熱敏器件采用熱保護(hù)和合理選擇某些元器件的熱流通路，采用合理的安裝技術(shù)、優(yōu)化元器件布局，減少設(shè)備的發(fā)熱量。在設(shè)計(jì)中，通常是幾種方法同時(shí)進(jìn)行，從而達(dá)到最優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)效果。

3 紅外熱像儀的測(cè)試

3.1 紅外熱像儀概述

通過(guò)紅外熱像儀測(cè)量微電子器件的熱特性越來(lái)越為行業(yè)所重視[3]。文中采用的顯微紅外熱像儀為美國(guó)QFI公司生產(chǎn)的InfrascopeⅡ型，該熱像儀由InSb面陣紅外探頭、顯微支架、控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)幾部分組成。其測(cè)溫范圍為70～350 ℃，溫度靈敏度0.001 ℃，響應(yīng)波段為2 ～5 μm，脈沖采樣頻率高達(dá)200 MHz，空間分辨率達(dá)到2.5 μm。

紅外熱像儀可以直接測(cè)量物體表面溫度，其基本原理是通過(guò)探測(cè)物體向外輻射的能量，再根據(jù)物體的輻射系數(shù)以及輻射能量與物體表面溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推算出物體表面實(shí)際溫度。物體的熱分布轉(zhuǎn)化為可視圖像，并以彩色圖像顯示出來(lái)，從而得到測(cè)試物體的溫度分布結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)量的精度受到被測(cè)表面的發(fā)射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測(cè)量距離、環(huán)境溫度等因素的影響[4]。為了提高紅外熱像儀測(cè)溫的準(zhǔn)確性，在測(cè)試操作時(shí)應(yīng)該正確選擇測(cè)量的距離系數(shù)和物鏡放大倍數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場(chǎng)、準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率、避免周圍環(huán)境高溫問(wèn)題影響、掃描鏡頭要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表面。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

文中GaAs功率放大器芯片設(shè)計(jì)為四級(jí)放大結(jié)構(gòu)，放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的柵寬比值為1∶2∶4∶8，因此其熱功率損耗為1∶2∶4∶8。在實(shí)際工作狀態(tài)下，電流為2.8 A，算出熱損耗功率為16.8 W，試驗(yàn)采用連續(xù)波工作。試驗(yàn)時(shí)紅外熱像儀的臺(tái)面溫度設(shè)為70 ℃，即功率放大器模塊的外殼溫度保持70 ℃。芯片中的每根柵條上下都整齊排列著填金的通孔，金的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于GaAs芯片，通孔具有很好的傳熱效果，它可以迅速地將柵條上聚集的熱量快速地傳遞到無(wú)氧銅載體及模塊外殼上。由于模塊外殼與控制臺(tái)相接觸，控制臺(tái)始終將模塊外殼保持在70 ℃，即控制臺(tái)對(duì)模塊外殼起到強(qiáng)迫冷卻的效果。利用溫差與熱損耗功率的比值可以算出芯片模塊的熱阻，因此通過(guò)此測(cè)試可知，只要確定模塊外殼溫度，就可以算出芯片結(jié)溫，這樣可以有效地保證芯片在安全的溫度環(huán)境下工作。

圖1 功放芯片溫度場(chǎng)分布圖

試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如圖1所示，圖1(a)與(b)分別是紅外熱像儀放大1倍和25倍所測(cè)試的結(jié)果。文中GaAs功率放大器的柵長(zhǎng)為深亞微米。紅外熱像儀的分辨率為數(shù)微米。由于紅外熱像儀的分辨率達(dá)不到器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，測(cè)得的溫度是一定范圍的平均值，所以顯示的溫度低于最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。圖1(a)顯示的是GaAs功率放大器芯片表面管芯區(qū)域的平均溫度，而圖1(b)顯示的是柵極與漏極之間溝道處的平均溫度，也即是芯片可承受的溫度。兩種放大倍數(shù)下的測(cè)試結(jié)果相差很大，這主要是因?yàn)榉糯蟊堵试叫?，空間分辨率越低，得到的是更大范圍的平均值，比最熱點(diǎn)的溫度低得更多。這是用不同放大倍率的鏡頭測(cè)得的溫度不同的主要原因。

4 熱仿真模擬計(jì)算

4.1 軟件的模型建立和網(wǎng)格劃分

Flotherm是由英國(guó)Flomerics軟件公司開發(fā)的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，F(xiàn)lotherm軟件采用成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)，其核心熱分析模塊可以完成建立分析模型、求解計(jì)算、可視化后處理、分析報(bào)告等所有基本功能。它可以完全滿足系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)、封裝級(jí)等各種層次的分析。

圖2 功率放大芯片模塊圖

實(shí)體模型由Solidworks繪制而成，功率模塊主要由GaAs芯片、無(wú)氧銅載體、AuSn焊料、SnPb焊料、微帶線、無(wú)氧銅殼體等組成，如圖2所示。將實(shí)體模型導(dǎo)入到flotherm軟件中，并將軟件中自帶的材料屬性附于每個(gè)實(shí)體。

芯片正常工作時(shí)，電流流過(guò)漏極、源極之間的溝道，在柵極、漏極之間的電阻最大，也就是熱損耗最大的位置。因此為了與實(shí)際情況相符合，建立柵極與漏極的溝道模型，并將熱損耗功率按比例平均分配到每個(gè)模型中去。

對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越密，計(jì)算的精度越高，但網(wǎng)格劃分過(guò)多，將會(huì)使計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。功放模塊中芯片是研究的重點(diǎn)，因此將細(xì)密的局部網(wǎng)格應(yīng)用于芯片，對(duì)模塊殼體采用粗糙網(wǎng)格。

4.2 模擬結(jié)果和分析

圖3是Flotherm用內(nèi)部求解器經(jīng)過(guò)500次迭代計(jì)算的結(jié)果，上圖是殘差曲線圖，下圖是檢測(cè)點(diǎn)的溫度曲線圖。在殘差曲線圖中，壓力和3個(gè)方向的速度曲線都完全收斂，溫度曲線殘差值小于10，可認(rèn)為溫度曲線也收斂。5條殘差曲線的收斂表明散熱系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)部沒有熱量積累，即功率模塊每時(shí)每刻產(chǎn)生的熱量都可以被及時(shí)地散發(fā)到系統(tǒng)外。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線圖反映了漏極與柵極之間溝道的溫度變化情況，在穩(wěn)定條件下，溫度值約為156 ℃。仿真的溫度值與實(shí)際測(cè)試值相接近，溫差只有8 ℃，誤差率為5.4%。

圖3 迭代求解及監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線圖

從圖4的GaAs功率放大器芯片溫度分布云圖可知，由于放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的熱功率損耗呈現(xiàn)遞增關(guān)系，溫度場(chǎng)中溫度的分布也是從低到高。其中，放大器的輸出級(jí)溫度最高，圖4下圖是對(duì)功率放大器芯片溝道的放大效果圖，溫度場(chǎng)分布與圖1相接近。

圖4 功放芯片溫度場(chǎng)分布圖

分別將紅外熱像儀的控制臺(tái)溫度調(diào)為85 ℃，將芯片電流改為3.5 A，即熱損耗功率為21 W。對(duì)修改參數(shù)后的模塊進(jìn)行測(cè)試并仿真，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。從表中可知，仿真的誤差率低于6%，驗(yàn)證了仿真模型是完全可行的。

表1 試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比圖

5 T/R組件的散熱器優(yōu)化

5.1 T/R組件模型建立

圖5為T/R組件模型，組件外殼尺寸為138 mm×90 mm×14 mm，組件分別由電路板、驅(qū)動(dòng)放大器模塊、功率放大器模塊、檢波模塊、隔墻等組成。散熱片長(zhǎng)寬尺寸為154 mm×134 mm，翅片的厚度為2 mm，長(zhǎng)度為20 mm。工作過(guò)程采用30%的占空比，其中兩個(gè)主要的研究參數(shù)需要考慮，分別是散熱片的翅片個(gè)數(shù)和散熱片底板的厚度。分別取散熱片底板的厚度2～7 mm，翅片個(gè)數(shù)5～25個(gè)，采用組合的方法，總計(jì)126種方案進(jìn)行研究。在Flotherm軟件中建立簡(jiǎn)化模型，并運(yùn)用Flotherm軟件中的Command Center功能，將方案組合自動(dòng)排列運(yùn)算。

5.2 散熱片翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖6是散熱片底板厚度對(duì)溫度的影響趨勢(shì)圖，分別取翅片數(shù)5個(gè)、10個(gè)、15個(gè)、20個(gè)、25個(gè)進(jìn)行分析。從圖中可知，底板厚度的變化對(duì)溫度影響較小，主要因?yàn)樵黾由崞装宓暮穸葧?huì)減小散熱片內(nèi)的擴(kuò)散熱阻，但是同時(shí)會(huì)增加垂直于散熱片方向的熱阻。底板的厚度不改變散熱片個(gè)數(shù)變化對(duì)溫度影響的趨勢(shì)。

圖6 散熱片底板厚度對(duì)溫度的影響趨勢(shì)圖

圖7是散熱片翅片數(shù)對(duì)芯片結(jié)溫的影響趨勢(shì)圖。隨著散熱片個(gè)數(shù)的增加，芯片結(jié)溫由高變低，當(dāng)翅片數(shù)為14個(gè)時(shí)，結(jié)溫達(dá)到最低，這主要是因?yàn)樵黾由崞瑪?shù)目會(huì)提高散熱片的性能。但隨著散熱片數(shù)目的增加，空氣流體會(huì)受到阻礙，溫度逐漸上升，影響散熱效果。當(dāng)翅片個(gè)數(shù)14個(gè)、底板厚5 mm時(shí)結(jié)溫最低。

圖7 散熱片翅片數(shù)對(duì)芯片結(jié)溫的影響趨勢(shì)圖

Flotherm軟件中的command center功能快速有效地優(yōu)化了散熱片的翅片及底板厚度，為選擇合適的散熱片尺寸提供了理論支撐。對(duì)比未優(yōu)化的散熱片與優(yōu)化后的，芯片結(jié)溫的溫差近6 ℃。采用優(yōu)化后的散熱片，芯片結(jié)溫可以有效降低，達(dá)到了對(duì)T/R組件散熱的目的，提高了T/R組件工作時(shí)的可靠性。

6 結(jié)論

文中GaAs功率放大器的柵長(zhǎng)為深亞微米。紅外熱像儀的分辨率為數(shù)微米。由于紅外熱像儀的分辨率達(dá)不到器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，測(cè)得的溫度是一定范圍的平均值，所以顯示的溫度低于最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。放大倍率越小，空間分辨率越低，得到的是更大范圍的平均值，比最熱點(diǎn)的溫度低得更多。這是用不同放大倍率的鏡頭測(cè)得的溫度不同的主要原因。

芯片正常工作時(shí)，柵極與漏極之間的溝道區(qū)域溫度最高，通過(guò)仿真可知，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)遞增關(guān)系，其結(jié)果與實(shí)測(cè)值相吻合，誤差低于6%。

由T/R組件的散熱片優(yōu)化處理結(jié)果可知，散熱片底板對(duì)溫度影響較小，隨著散熱片數(shù)目的增加，溫度逐漸降低，直到散熱片的數(shù)目阻礙了空氣流動(dòng)，溫度開始上升。

[1] 胡明春，周志鵬，嚴(yán)偉. 相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010. 1-2.

[2] 張琪，蔣和全，尹華. 開關(guān)電源熱仿真模型研究[J]. 微電子學(xué)，2010，40（2）：884-889.

[3] Trigg A. Application of Infrared Microscopy to IC and MEMS Packaging [J]. Electronics Packaging Manufacturing,2003, 26∶3.

[4] Bennett G A, Briles S D. Calibration Procedure Developed for IR Surface-temperature [J]. Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1989, 12∶ 4.