崔朝探，陳 政，杜鵬搏,3，焦雪龍，曲韓賓,3

（1.河北新華北集成電路有限公司，石家莊 050200；2.河北省衛(wèi)星通信射頻技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050200；3.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

1 引言

隨著現(xiàn)代通信、雷達(dá)等微波電子設(shè)備向小型化、輕量化發(fā)展，業(yè)界迫切需要小尺寸、高可靠性、安裝使用方便的管殼類功率放大器[1]，功率放大器作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，其效率和功率可以顯著影響系統(tǒng)的總體能耗和散熱性能。作為第三代半導(dǎo)體材料的GaN 具有禁帶寬、電子遷移率高、電子飽和速率高、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高和抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。目前國內(nèi)外已報(bào)道了多篇基于GaN HEMT 工藝的功率放大器，但大多集中在低頻段和大功率類型，對高頻段、高效率、小型化功放模塊的報(bào)道較少。文獻(xiàn)[3-4]分別研究了L 波段和S 波段的功率管設(shè)計(jì)，夏永平等人對C波段大功率GaN 放大器進(jìn)行了研究[5]，ZHONG 等人通過研究X 波段大功率放大器，指出GaN 芯片功率密度高達(dá)GaAs 產(chǎn)品的5～10 倍[6]。但是上述功放模塊體積均較大，不能適應(yīng)小型化的要求。本文提出了一種X 波段功率放大器小型化設(shè)計(jì)方案，整體尺寸僅為18.03 mm×8.70 mm×3.03 mm，管殼選用低損耗、高熱導(dǎo)率的金屬陶瓷管殼，芯片選用0.10 mm 厚度的GaN功率芯片，微波電性能測試結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。為了表征功率管的熱特性，利用有限元軟件對不同材料的管殼底座進(jìn)行熱仿真分析，模擬芯片的溫度分布，并根據(jù)仿真結(jié)果選定底座材料為鉬銅Mo70Cu30，進(jìn)而對其結(jié)溫進(jìn)行了紅外熱成像測試，驗(yàn)證散熱設(shè)計(jì)的正確性。

2 功率放大器電路設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布局

不同類型的GaN 功率器件，應(yīng)根據(jù)其內(nèi)部電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及功率等級差異選擇不同的封裝結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中管殼選用低損耗、高熱導(dǎo)率的金屬陶瓷管殼封裝，基于功率芯片所需的饋電組合濾波電容要求，合理排布外圍濾波電容的結(jié)構(gòu)，將分立式的芯片電容改為組合陣列式芯片電容，大大減小了整個(gè)電路的尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了封裝尺寸的縮小化，最終設(shè)計(jì)出的功率放大器整體尺寸僅為18.03 mm×8.70 mm×3.03 mm，功率放大器整體結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示，芯片通過金錫焊料燒結(jié)在管殼內(nèi)部，電路間連接采用金絲鍵合工藝。

圖1 功率放大器結(jié)構(gòu)布局

2.2 電路設(shè)計(jì)

該功率放大器電路原理如圖2 所示，Vd為漏極工作電壓，Vg為柵極工作電壓。由于所用功率芯片在整個(gè)X 波段的增益較高，因此需在芯片偏置電路設(shè)計(jì)時(shí)采用多級濾波電路，濾除電源加電時(shí)產(chǎn)生的雜波，防止電源雜波引起芯片自激，保障功率芯片工作的穩(wěn)定性。

圖2 功率放大器電路原理

在匹配電路設(shè)計(jì)方面，功率芯片本身阻抗匹配到50 Ω，但在封裝過程中鍵合金絲和金屬陶瓷管殼的傳輸線都會影響到放大器的輸出阻抗，通過仿真優(yōu)化瓷件微帶線寬以及增加過渡匹配線段，使輸出匹配電路損耗降低同時(shí)改善駐波性能，優(yōu)化后的陶瓷管殼射頻傳輸線如圖3 所示。

圖3 管殼射頻傳輸線

2.3 腔體諧振仿真設(shè)計(jì)

為避免封裝腔體在電性能測試時(shí)發(fā)生電磁振蕩，影響放大器的工作性能，需要優(yōu)先對腔體形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，避開諧振點(diǎn)。由于腔體尺寸越小，諧振頻率越高，仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔體尺寸小于20 mm×15 mm時(shí)，諧振頻率便能避開X 波段頻率。本文選用封裝腔體尺寸為6.05 mm×8.80 mm，應(yīng)用三維電磁仿真軟件進(jìn)行本征模式求解，仿真模型及求解結(jié)果如圖4 所示。放大器工作頻率范圍為9.3～9.5 GHz，從結(jié)果可以看出，該腔體的最低諧振頻率為30.9 GHz，已高于最高工作頻率，因此該腔體不會引起諧振。

圖4 放大器腔體模型及諧振頻率

2.4 芯片鍵合線過渡仿真

金絲鍵合是單片集成電路最典型的連接工藝，本設(shè)計(jì)采用金絲鍵合將功放芯片和管殼射頻引腳進(jìn)行過渡連接，根據(jù)芯片手冊的使用要求，鍵合金絲直徑為25 μm，為提高電路的可靠性及傳輸性能，一般會增加金絲的根數(shù)，這里采用2 根金絲并聯(lián)的方式，三維模型如圖5 所示?；? 根金絲鍵合線路耦合模型，進(jìn)一步做仿真優(yōu)化，研究2 根金絲的拱高、跨距和間距對插入損耗的影響。插入損耗隨拱高、跨距和間距大小的變化曲線如圖6 所示。從仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著金絲拱高的增加，插入損耗逐漸減??；隨著金絲跨距的增加，插入損耗逐漸減??；隨著金絲間距的增大，插入損耗逐漸增大。為保證最優(yōu)的電路傳輸性能并結(jié)合鍵合絲工藝極限，最終選用拱高為0.1 mm、跨距0.2 mm、間距為0.1mm 的2 根鍵合絲，此時(shí)插入損耗為－0.125dB。

圖5 鍵合線的三維模型

圖6 鍵合絲不同參數(shù)變化對插入損耗的影響

3 功率放大器散熱設(shè)計(jì)

隨著GaN 功率放大器向小型化、大功率方向發(fā)展，芯片有源區(qū)的熱積累效應(yīng)使其大功率性能優(yōu)勢遠(yuǎn)未充分發(fā)揮，散熱問題已成為GaN 器件封裝失效的主要原因之一[7]，結(jié)溫每升高10～12 ℃，芯片壽命及可靠性降低50%[8]，因此有必要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，保證芯片最高結(jié)溫不大于115 ℃，滿足I 級降額準(zhǔn)則。

3.1 熱仿真模型及邊界條件

對特定產(chǎn)品進(jìn)行有限元熱仿真時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)使用條件選擇合適的仿真方法[9]，本文研究的SiC 基GaN 功率芯片尺寸為4.7 mm×5.2 mm，芯片總厚度為100 μm，通過金錫焊料(Au20Sn80)燒結(jié)在底座上。模型中各部分的材料參數(shù)如表1 所示。

表1 模型各部分材料參數(shù)

根據(jù)GJB548B-2005 1012 熱性能測試方法，器件安裝于溫度可控的散熱器上，溫度控制在70 ℃。仿真時(shí)將芯片熱耗（78 W）作為熱源，分布在芯片128 個(gè)熱源區(qū)，按照恒溫邊界條件模擬散熱器的冷卻效果，外表面與空氣做自然對流。

3.2 熱仿真結(jié)果及分析

按照3.1 節(jié)邊界條件設(shè)置，對5 種常規(guī)材料WCu10、WCu20、MoCu30、CPC(1∶4∶1)、Cu 的管殼底座進(jìn)行熱仿真，對芯片溫度進(jìn)行評估預(yù)測，仿真結(jié)果對比如圖7 所示。

圖7 不同底座材料對應(yīng)的芯片結(jié)溫曲線

在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行熱仿真能事先模擬出芯片的結(jié)溫分布，由圖7 可直觀地看出在相同的功耗條件下5 種底座材料的芯片結(jié)溫對比情況，基于降額考慮，從結(jié)溫不大于115 ℃的3 種材料中選擇底座，這對延長芯片使用壽命、提高器件熱可靠性具有重要意義。純銅散熱能力最好，對應(yīng)的芯片結(jié)溫僅為93.31 ℃，但其材質(zhì)較軟易產(chǎn)生大的形變，CPC 和MoCu30 材料結(jié)溫相差不大，但CPC 加工工藝復(fù)雜、成本高，綜合考慮選定MoCu30 作為底座材料。仿真得到MoCu30 底座的芯片溫度場分布如圖8 所示，芯片結(jié)溫為109.53 ℃。

圖8 MoCu30 底座的芯片溫度場分布

3.3 紅外測試結(jié)果對比

利用紅外熱成像儀對封裝樣品結(jié)溫進(jìn)行直接測量，測試過程使用與有限元仿真中相同的條件，獲得的器件表面溫度分布如圖9 所示。

由圖9 可知芯片最高溝道溫度為107.83 ℃，且與仿真溫度分布趨勢相同，熱梯度[10]也很好地達(dá)到一致。將實(shí)測數(shù)據(jù)與3.2 節(jié)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示，可知仿真值與實(shí)測值誤差很小，在3%之內(nèi)。實(shí)測和仿真結(jié)果對比的一致性共同驗(yàn)證了散熱設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。

圖9 器件表面熱成像圖像

表2 測試和仿真結(jié)果對比

4 功率放大器加工及測試

功率放大器技術(shù)指標(biāo)為帶寬9.3～9.5 GHz，飽和輸出功率Psat＞46 dBm，功率附加效率（PAE）在34%以上，功率增益G 在23 dB 以上。采用金屬陶瓷管殼封裝，器件內(nèi)部布局緊湊，電容和管芯通過280 ℃金錫焊料燒結(jié)在管殼上，最終研制的X 波段小型GaN 功率放大器實(shí)物如圖10 所示。

圖10 功率放大器實(shí)物照片

采用漏極脈沖調(diào)制對制作完成的功率放大器進(jìn)行微波電性能測試，脈沖測試條件為：Vds=28 V，周期250 μs，占空比30%，TTL 電平Vgs=－1.8 V，輸入功率Pin為22 dBm。測試結(jié)果如圖11 所示，工作頻率為9.3～9.5 GHz，Psat＞46 dBm，PAE 大于36%，G＞24.5 dB，全部達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，而且芯片在－55～85 ℃內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定性測試，未出現(xiàn)自激現(xiàn)象，芯片具有良好的穩(wěn)定性。

圖11 微波電性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了一款X 波段小型封裝GaN 功率放大器設(shè)計(jì)方案，在工作頻段9.3～9.5 GHz 內(nèi)，輸出功率大于46 dBm，PAE 大于36%，功率增益大于24.5 dB，微波電性能均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求；通過散熱設(shè)計(jì)使芯片最高溝道溫度控制在107.83 ℃，滿足I 級降額準(zhǔn)則。該功率放大器在保證微波電性能和散熱性能的同時(shí)，具有尺寸小、裝配一致性高、故障返修率低等特點(diǎn)，已成功實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)及通信領(lǐng)域。