某GaAs MMIC功率放大器熱特性的電學(xué)法測量

魏 濤，錢吉裕，孔祥舉，陳國平，張梁娟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某GaAs MMIC功率放大器熱特性的電學(xué)法測量

魏 濤，錢吉裕，孔祥舉，陳國平，張梁娟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

與場效應(yīng)管不同，MMIC功放由于集成了電阻、電容等電子元器件，其熱特性的電學(xué)法測量非常困難。文中研究并設(shè)計了相應(yīng)的測量方法和裝置，利用新型的靜態(tài)電學(xué)法測量了2個GaAs MMIC功率放大器的熱特性，得到各層熱阻構(gòu)成和瞬態(tài)熱阻，并通過結(jié)構(gòu)函數(shù)對比發(fā)現(xiàn)2個樣品的金錫焊接層存在一定的差異。經(jīng)實驗對比發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)電學(xué)法的熱阻測量結(jié)果和紅外法(10 μm)結(jié)果相當(dāng)，但靜態(tài)電學(xué)法具有快速、便捷的優(yōu)點。

GaAs；MMIC；電學(xué)法；熱特性；紅外

引 言

半導(dǎo)體器件的工作溫度對性能和可靠性有著很大的影響，半導(dǎo)體器件的絕大多數(shù)失效機理引發(fā)的失效都會隨溫度的升高而加速。單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)作為一種新型器件，于1987年由DARPA實施發(fā)展而來[1]，對軍用微波系統(tǒng)產(chǎn)生了劃時代的影響，帶來了諸多高性能、低成本的新型器件(功率放大器、混頻器、振蕩器、移相器等)，基于GaAs襯底材料的MMIC已在微波領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。然而，MMIC的熱特性問題一直是人們關(guān)注的熱點，測量、分析GaAs MMIC的熱特性，以便改進其熱設(shè)計，提高器件的熱可靠性，受到了研究者的廣泛重視。

精確測量半導(dǎo)體器件的工作溫度，尤其是溝道溫度比較困難，挑戰(zhàn)在于空間和時間的解析度。對半導(dǎo)體器件而言，最常用的溫度測量方法可以被分為3類：電學(xué)[2]、光學(xué)[3]、物理接觸。相比于其他兩種方法，電學(xué)法利用半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的線性關(guān)系測量其內(nèi)部溫升，具有快速、非破壞性、熱學(xué)信息量大等優(yōu)點，成為半導(dǎo)體器件熱特性分析的首選方法。本文針對一種新型GaAs MMIC功率放大器的電學(xué)法測量原理進行討論，在此基礎(chǔ)上對測試樣品的熱特性進行測量分析，并和紅外法測量結(jié)果進行對比。

1 測試原理及方法

1.1 測量原理

許多半導(dǎo)體器件與電路的電學(xué)參數(shù)與溫度有密切的關(guān)系，如PN結(jié)正向電壓、閾值電壓、泄漏電流等。其中，PN結(jié)正向電壓隨溫度的變化具有很好的線性關(guān)系[4]，這一關(guān)系常被用作電學(xué)法測量半導(dǎo)體器件或組件的物理基礎(chǔ)，已成為電學(xué)法測溫中使用最普遍的電學(xué)參數(shù)。正向電壓隨溫度的變化關(guān)系可以近似描述為：

VT1=VT0+K(T1-T0)

(1)

式中：VT1、VT0分別是T1、T0時刻的輸入電壓；K是溫度系數(shù)。K同襯底材料、制造工藝等都有關(guān)系。理論上，任何PN結(jié)如果可以通過引線來進行電氣接觸，其正向電壓都可以作為溫度測量的參數(shù)，包括GaAs襯底的MES管、MOS管的柵源電壓。

電學(xué)法在測量器件(或組件)的瞬態(tài)熱阻時，可以分為動態(tài)法和靜態(tài)法兩種。動態(tài)法為傳統(tǒng)方法，在測量瞬態(tài)溫度響應(yīng)時是通過人為構(gòu)建脈沖加熱功率來模擬瞬態(tài)過程，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完備性及可重復(fù)性難以保證。靜態(tài)法作為一種新型方法，彌補了動態(tài)法的不足，通過高采樣率實時記錄溫度隨時間的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，再應(yīng)用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法得到瞬態(tài)熱阻曲線及測試對象的熱特性。目前JEDEC(國際固態(tài)技術(shù)協(xié)會)已公布了基于靜態(tài)法的結(jié)殼熱阻測試標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14。

本文討論的GaAs MMIC功率放大器為三級放大電路，其中末級(第三級)是主要的發(fā)熱區(qū)，末級的HEMT管屬于一種變形MES管，如前所述可采用其柵源電壓作為測量對象，并采用靜態(tài)法進行熱特性測量。

1.2 測量方法和裝置

整個測量過程包括測量溫度系數(shù)K和熱特性測量兩個步驟。主要的測試裝置采用T3ster瞬態(tài)熱阻測試儀，待測樣品組成和測試系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 待測樣品組成和測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

第1步：測量溫度系數(shù)K。將待測器件置于恒溫臺上，控制溫度待器件達到穩(wěn)態(tài)后，加小測試電流(mA量級)測量末級柵源電壓，重復(fù)多個溫度點，線性擬合得到溫度系數(shù)K。本文所測樣品的溫度系數(shù)K=-1.619 mV/℃，如圖2所示。

圖2 被測GaAs MMIC樣品的溫度系數(shù)K

第2步：熱特性測量。器件測量一般分工作狀態(tài)和測量狀態(tài)。工作狀態(tài)時，對于GaAs MMIC器件，末級HEMT的柵源之間加反偏置，漏源加正偏置；而測量狀態(tài)時，柵源之間加正偏置，漏源不加電。所以，從工作狀態(tài)切換到測量狀態(tài)時必須通過快速開關(guān)電路切斷柵源、漏源電壓，將正向恒定測試電流加到柵源上測量此時的結(jié)電壓，測試電路見圖3。

圖3 GaAs MMIC器件熱特性測試電路

測量過程需重點關(guān)注兩個方面。一是開關(guān)電路的轉(zhuǎn)換要足夠快，以保證最初的溫度變化信息(芯片內(nèi)的傳熱過程)被捕捉到。目前國外最先進的設(shè)備T3ster可以達到1 μs，國內(nèi)同類設(shè)備約為3～5 μs[5]，兩者理論誤差小于10%。二是測量間隔要足夠短，目的為精確捕捉溫降過程，芯片的熱響應(yīng)時間約為ms量級甚至更低，因此測量間隔應(yīng)達到μs量級。

2 測試結(jié)果及討論

測試樣品共2個，樣品的散熱途徑可分為3層，分別是：GaAs MMIC層、無氧銅載體和測試殼體(金屬層)，層與層之間焊接連接(焊接層)，如圖1(a)所示。第2步熱特性測量共進行2次，第1次在樣品與恒溫板之間采用干接觸，第2次涂覆導(dǎo)熱硅脂，由于2次散熱途徑的改變僅發(fā)生在樣品與恒溫板之間，在表征樣品熱特性的熱容-熱阻曲線上會出現(xiàn)分界點。

2.1 樣品的熱特性分析

如圖4所示，樣品1的第1次測量結(jié)果為虛線所示，第2次為實線所示，其分界線之前的曲線基本重合，為樣品的熱特征曲線。金屬層和焊接層的“熱容-熱阻”曲線有明顯區(qū)別，金屬層熱容大，熱阻小，曲線陡峭；而焊接層則相反，熱容小，熱阻大，曲線平緩。簡單計算各層熱阻可根據(jù)C-R曲線上的拐點進行劃分，細致計算則需要改變相應(yīng)位置的界面接觸形式使曲線出現(xiàn)分界點。

圖4 樣品1的熱特性曲線

從圖4可以看出，樣品1的總熱阻約為2.25 K/W，其中GaAs MMIC層的熱阻約為0.44 K/W，僅占總熱阻的20%；而GaAs MMIC和無氧銅載體之間的金錫焊料層的熱阻達到1.0 K/W，占總熱阻高達44%，其他熱阻(無氧銅載體、鉛錫焊料和測試模塊殼體)之和占36%(圖5)。因此，要改善芯片溫度，應(yīng)盡可能降低金錫焊料層的熱阻，采取的措施包括減小焊層厚度、提高焊透率等。

圖5 樣品兩種測試方法所測結(jié)果匯總

圖6給出了樣品1的脈沖熱阻，隨著脈寬、占空比的增大，脈沖熱阻增大。脈沖熱阻隨脈寬的增長關(guān)系，大致可分為2個階段。階段1，脈寬較小(小于ms量級)，脈沖熱阻隨脈寬增長較快，曲線較陡峭，占空比對熱阻影響較大；階段2，脈寬增大到ms量級后，脈沖熱阻隨脈寬增長較緩慢，曲線較平滑并逐步接近穩(wěn)態(tài)熱阻值，占空比對熱阻影響較小。樣品1在1 ms、占空比僅為5%時，脈沖熱阻即達到穩(wěn)態(tài)熱阻的80%，為1.8 K/W；占空比為50%時，達到89%，為2 K/W。

圖6 樣品1的脈沖熱阻和脈寬、占空比的變化關(guān)系

圖7給出了樣品1和樣品2的熱容-熱阻曲線對比。可以發(fā)現(xiàn)，除金錫焊層存在較明顯的差異外，樣品1和樣品2的熱容-熱阻曲線幾乎完全重合，樣品1的金錫焊層焊接熱阻約為1 K/W，而樣品2為0.72 K/W，反映了2個樣品的金錫焊接存在較大的差異。

圖7 樣品1和樣品2熱特性對比

2.2 和紅外法測量結(jié)果的比較

為了驗證電學(xué)法的測量準(zhǔn)確性，利用紅外法對樣品1進行測試。測試裝置采用QFI公司的infrascopeII紅外熱測試平臺，其空間精度根據(jù)放大倍數(shù)可調(diào)，分別為67.5 μm(1倍)、13.5 μm(5倍)和2.7 μm(25倍)，結(jié)果如圖8所示。紅外法的測量結(jié)果受放大倍數(shù)影響較大，隨放大倍數(shù)增大測量更準(zhǔn)確，溫度值也更大，其中最高精度(25倍)比最低精度(1倍)高約40%。

圖8 樣品1的紅外法測溫結(jié)果

圖9給出了樣品1的2種測試方法結(jié)果對比，可以看出電學(xué)法和中等精度(5倍)紅外法的測試結(jié)果基本一致，空間精度大致相當(dāng)于10 μm量級的紅外精度。

圖9 樣品1采用2種測試方法的結(jié)殼熱阻對比(殼指樣品底部)

電學(xué)法的優(yōu)點：1)多用途?？蓽y結(jié)溫、結(jié)殼熱阻、接觸熱阻、焊接熱阻等；2)高效率。一次測量可得到不同脈寬、占空比下的結(jié)溫；3)熱分析?？煽吹缴嵬緩缴系臒嵝畔?，含各層的熱阻和熱容。但該方法不直觀，需要外圍電路。電學(xué)法主要用于熱設(shè)計，也可用于檢驗。紅外法的優(yōu)點：1)直觀?？芍苯涌吹浇Y(jié)溫及芯片溫度分布；2)真實測量。非接觸式、實際工作狀態(tài)測量。但該方法不能給出對象的各層熱阻信息，且只能開蓋測量。紅外法主要用于批檢。從應(yīng)用角度來看，電學(xué)法更注重?zé)嵩O(shè)計，可測參數(shù)多，用途廣；而紅外法側(cè)重于批檢，可很方便直觀地發(fā)現(xiàn)“過熱點”。

3 結(jié)束語

本文介紹了GaAs MMIC功率放大器熱特性的電學(xué)法測量的原理及方法，利用靜態(tài)電學(xué)法對某GaAs MMIC樣品進行了測量，分析了樣品的熱阻構(gòu)成及不同樣品的差異，并將該結(jié)果與紅外測量結(jié)果進行比較，在可比范圍內(nèi)符合較好，最后給出了2種測溫方法的優(yōu)劣比較。電學(xué)法分析半導(dǎo)體器件的熱特性具有快速、非破壞性等優(yōu)點，為器件的熱特性分析提供了方便的測試方法。

[1] DARPAR. DARPAR戰(zhàn)略規(guī)劃&微系統(tǒng)技術(shù)[Z]. 中國電子科技集團公司. 2009.

[2] FUKUI H. Thermal resistance of GaAs field-effect transistors[C]//International Electron Devices Meeting, 1980, 26: 118-121.

[3] 彭利軍, 楊坤濤, 章秀華. 光學(xué)測溫技術(shù)中的物理原理[J]. 紅外, 2006, 27(10): 1-4.

[4] DAMLJANOVIC D D. Remodeling the p-n junction[J]. IEEE Circuits and Devices Magazine, 1993, 9(6): 35-37.

[5] 馮士維, 謝雪松, 呂長志, 等. 半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報, 1999, 20(5): 358-363.

魏 濤(1984-)，男，博士，主要從事相控陣?yán)走_電子設(shè)備的熱控技術(shù)研究。

Thermal Properties Measurement by Electrical Method for a GaAs MMIC Power Amplifier

WEI Tao，QIAN Ji-yu，KONG Xiang-ju，CHEN Guo-ping，ZHANG Liang-juan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Different from FET, thermal properties measuring of MMIC by conventional electrical method is unsatisfactory because MMIC power amplifier integrates electronic components such as resistor, capacitor, etc. Related measuring methods and devices are studied and designed in this paper. A novel method based on the conventional electrical method is used to measure the thermal properties of two GaAs MMIC power amplifiers, and both the layer constitution of thermal resistances and the transient thermal resistances are obtained. Structural function comparison reveals the difference of Sn-Au die between the two test samples. The accuracy of the presented method is similar to IR measuring (10 μm) method, but the presented method has advantages such as convenience and quickness.

GaAs; MMIC; electrical method; thermal properties; IR

2013-11-24

TN722.7+5

A

1008-5300(2014)02-0026-04