L波段大功率開關的研制

孟向俊，楊　磊，黃貞松，宋　艷，許　慶（南京電子器件研究所，南京211111）

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L波段大功率開關的研制

孟向俊，楊磊，黃貞松，宋艷，許慶
（南京電子器件研究所，南京211111）

根據(jù)高功率、低插損、高隔離的要求，選擇串并聯(lián)電路形式對這些指標做折衷處理。采用多芯片模塊組裝工藝，把PIN管芯片通過焊料燒結在氮化鋁基板上。相比于傳統(tǒng)基板材料，氮化鋁陶瓷基板導熱性能優(yōu)良，無需加裝散熱器，使電路尺寸減小，制作簡單。實現(xiàn)在L波段上，通過峰值功率500 W、占空比30%的脈沖信號，插入損耗小于0.8 dB，隔離度大于35 dB。

多芯片模塊；氮化鋁陶瓷基板；大功率開關

1　引言

隨著無線通信技術的發(fā)展，通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等的發(fā)射功率越來越高，這就要求收發(fā)開關能夠傳輸更大的功率。PIN管開關因其傳輸功率大、插入損耗小、端口隔離大、切換速度快、開關壽命長等特點常被用作大功率傳輸中的收發(fā)開關。

以往大多數(shù)PIN管開關器件都是以普通PCB或氧化鋁陶瓷作為其基板，基板材料的導熱性能很大程度上決定了能處理的功率，本文選取了高導熱性能的氮化鋁基板。先通過分析比較選取合適的電路結構，在此基礎上選取合適的PIN管，通過焊料燒結的方法將PIN管粘結到氮化鋁基板上，保證PIN管有良好的散熱，能夠通過大功率信號。

2　L波段大功率開關設計與實現(xiàn)

PIN管應用在開關電路中通常是串聯(lián)、并聯(lián)等形式［1］，如圖1和圖2所示。

串聯(lián)型的二極管開關通常用于寬頻率與低插入損耗的情況下，最大隔離度取決于PIN二極管的電容，損耗與功耗由二極管的正向電阻決定；并聯(lián)型的二極管開關則能夠提供高的隔離度，并能夠處理更大功率，隔離度與功耗由二極管的正向電阻決定，損耗主要取決于二極管的電容值。選擇單一串聯(lián)形式的話，插入損耗低，但同時其隔離度也低；選擇單一并聯(lián)型的話，隔離度較好，但其插入損耗變高。綜合考慮采用串并聯(lián)結構的電路設計，得到較低的插入損耗與較高的隔離度，其拓撲結構見圖3。

圖1　串聯(lián)的SPST開關電路

圖2　并聯(lián)的SPST開關電路

圖3　開關電路的拓撲結構

PIN管所能承受的最大功率需從兩個情況考慮［2］：

（1）正向偏置時，PIN管相當于一個小電阻（如圖4所示，Lint為引線電感），產(chǎn)生的功耗導致結溫升高，而結溫如果升高到足夠引起金相變化（一般為300～400℃），那么二極管就會損壞。對于圖1所示的串聯(lián)電路而言，通過理論推導可以得到耗散功率、正向導通電阻、功率容量三者之間的關系式：

PDM為PIN管正向偏置時所能承受的最大功率耗散，通過式（1）可以求出管子正向偏置時的功率容量。

圖4　PIN正向偏置的等效電路

圖5　PIN反向偏置的等效電路

（2）反向偏置時，PIN管相當于一個電容（如圖5所示），結溫仍然是環(huán)境溫度和射頻發(fā)熱引起的結果。與正向導通時不同的是，所加的射頻電壓的幅度與反向偏壓或反向擊穿電壓相比擬的時候，二極管的耗散是非線性增長并且比射頻功率增長得更快，使插入損耗增加，我們把插入損耗非線性增加的起點作為達到破壞性溫度的實際標志。這種插入損耗的非線性增加需要分兩種情況討論。一是直接碰撞電離模式，即雪崩擊穿現(xiàn)象，當管子兩端所加的射頻電壓與直流偏置電壓的最大值超過管子的擊穿電壓時，I區(qū)的硅原子會在強電場作用下發(fā)生電離，呈雪崩式劇增，會造成PIN損壞。若減小反向偏壓，使管子工作在安全區(qū)，則可以消除這種現(xiàn)象。二是注入模式損壞機理，在射頻電壓比較大的情況下，射頻電壓“正擺”到正向偏置區(qū)域，雖然在這半個周期里面，P區(qū)與N區(qū)的載流子注入I區(qū)不足以使二極管導通，但是仍有一部分電荷進入了I區(qū)，在下一個正向電壓到來之前，這些電荷的反向偏壓和負半周的射頻電壓兩者共同作用，并不能全部吸出，隨著每一個周期的到來，電荷越積越多，當載流子由射頻電場的加速而以足夠大的能量沖擊I區(qū)中的硅原子，把價帶中的電子激發(fā)到導帶，將產(chǎn)生電子-空穴對，導致插入損耗變大。若增大反向偏置電壓，則會使注入的電荷迅速有效地吸出，減小管子的插入損耗。

上述兩種機理的存在，需要認真考慮反向偏置電壓。偏壓太小，會導致發(fā)生上述注入模式損壞，偏壓太高則帶來安全性，高偏壓的易得性，并且隨著電壓的增加對插損的減小越來越不明顯。具體偏壓應如何確定，Robert H.Caverly和Gerald Hiller曾經(jīng)對這一問題進行過分析推導［3］。PIN管在加射頻信號的情況下兩端會產(chǎn)生內(nèi)建直流電壓，其大小主要受射頻峰值電壓、頻率和I區(qū)的寬度影響，見式（2）。直流偏壓大于內(nèi)建直流電壓的時候，管子能穩(wěn)定工作在高阻狀態(tài)；反之，如果小于的話，則會導致電路插入損耗變大，PIN管溫度過高，進而損壞管子。

對于圖1所示的串聯(lián)電路而言，通過理論推導，我們可以得到最大反向電壓、反向偏置電壓、功率容量之間的關系式：

Vbias為反向偏置電壓，通過式（3）可以得出反向偏置時的功率容量。

顯然PamF與PamR兩者應該取較小者作為串聯(lián)開關電路的最大功率容量。值得注意的是上述公式是在理想匹配的情況下進行計算的，通常開關的電壓駐波比在1.5以內(nèi)是正常，但在實際應用中經(jīng)常會出現(xiàn)匹配不良、甚至全反射的情況，所以需要進行功率余量的考慮。PIN管在行駐波狀態(tài)下，承受的最大電壓是入射信號電壓的（1+Γ）倍，而全反射時為原來的兩倍，功率正比于電壓的平方，則PIN管承受的功率為理想狀態(tài)下的（1+Γ）2到4倍，由此可知在理論估算的最大功率容量基礎上放4倍左右的余量，能夠保證管子安全可靠地工作［4］。

在考慮PIN管所能承受最大功率的時候，本質上都是結溫升高導致PIN管的損壞。PN結的功率耗散越小，電路散熱能力越好，則管子所能承受的微波功率越大，所以需從以下兩個方面考慮PIN管的熱設計問題。

（1）減少PIN管的插入損耗，降低其功率耗散。

對于如圖1所示的串聯(lián)開關電路而言，損耗（IL）和功率耗散與PIN管的電阻有關。

由式（4）可知通過減小正向偏置的辦法可以有效減小插入損耗。當然Rs不能無限制地小，因為它的減少往往伴隨著結電容的增大，這樣會導致電路的隔離性能變差。

（2）減小電路的熱阻，提高散熱能力。

對于實際的PIN開關電路而言，我們不僅要考慮PIN管的內(nèi)熱阻，也要考慮其外熱阻［5］。PIN管的內(nèi)熱阻主要與管芯的結面積、I區(qū)寬度、外殼材料的導熱率以及加工工藝等有關；外熱阻則與管殼封裝的形式以及封裝材料有關。一般來說，管殼面積越大外熱阻越小，金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。不管怎么樣的管殼封裝總會帶來熱阻的增加，現(xiàn)在做大功率開關都是直接把管芯粘合在基板上，而基板則選取導熱性能好的陶瓷基板。直接采用PIN管芯不僅能夠減少熱阻，還可以減少管殼封裝帶來的寄生參數(shù)對性能的影響，并減小整個電路的尺寸。一個用于分析PIN管電路熱阻的簡單熱流模型如圖6所示。

圖6　用于分析PIN管電路熱阻的簡單熱流模型

其熱流路徑是從PN結到粘結劑，再到AlN基板，熱阻應為三個區(qū)域的熱阻總和：θ=θ1+θ2+θ3。需要從PIN管、粘結劑、基板三個方面來考慮電路熱阻。

（1）PIN管的熱阻

PIN管的熱阻參數(shù)一般半導體公司都會給出，需要在滿足上文部分討論的指標基礎上選擇較小熱阻的管子。結合上面的指標選擇了M/A-com公司的一款管子，其正向偏置電流100 mA時串聯(lián)等效電阻為0.6 Ω，反向偏置電壓50 V時等效結電容為0.7 pF，熱阻為8℃·W-1。

（2）粘結劑的選擇

芯片一般通過導電膠或者焊料來粘結。本質上講，焊料燒結是焊料與金屬底座之間形成冶金連接，導電膠與基底之間則是機械與化學連接，所以焊料燒結比導電膠連接有著更好的導電性和強度［6］。從導熱性能上講，一般焊料的導熱系數(shù)在50～65 W·（mK）-1，而導電膠的導熱系數(shù)則在3～25 W·（mK）-1。從導電性能上講，焊料的導電系數(shù)在1.5×10-5Ω·cm左右，而導電膠則在6×10-4Ω·cm左右，可見焊料的導電導熱性能比導電膠好不少。并且使用焊料燒結更利于電路的返工（更換器件等等）。在加工制作中使用錫金焊料，其導熱系數(shù)為57 W·（mK）-1，導電系數(shù)為1.64×10-5Ω·cm，能夠滿足對熱阻以及導電性能的要求。

（3）基板材料的選擇

普通的基板材料（環(huán)氧樹脂等等）耐高溫性差，線膨脹系數(shù)不匹配，不能滿足大功率PIN開關電路的散熱及穩(wěn)定性方面的要求；所以選擇高頻特性突出、熱導率高的陶瓷材料作為電路的基板。幾種常見的陶瓷基板材料如表1所示。

表1　基板材料的特性

由表1可以看出氮化鋁材料的散熱能力良好，熱阻較小，介電常數(shù)適中，基板損耗較小，成本適中，且與Si有相匹配的膨脹系數(shù)。

根據(jù)圖6的簡化模型可以計算出總熱阻θ。這里先給出熱阻與導熱系數(shù)的關系式，見式（5）：

其中H為材料的厚度，λ為導熱系數(shù)，S為傳熱面積。

PIN管的熱阻（θ1）由半導體制造商給出，為8℃·W-1。一般錫金焊料的焊層厚度在30～50 μm左右，由此可以計算出θ2≈0.8℃·W-1。選用0.8 mm厚的氮化鋁基板，忽略其上面鍍金層的影響，可以得θ3≈0.7℃·W-1。所以總熱阻θ=θ1+θ2+θ3=9.5℃·W-1，在管子允許的最大耗散下，其結溫也不超過175℃。以上熱阻雖然由簡化的模型計算所得，但在大多數(shù)工程應用中其精確度是足夠的。

3　電路開關性能的估算

在圖3中，通過大功率信號時，D1管導通，D2反偏，射頻功率從D1通過到達天線端，故功率損耗主要在D1管上。管子最大允許的功率耗散PDm為：

TJ做2級降額處理即140℃，TA一般取85℃。帶入所選管子的熱阻參數(shù)，可以得出管子的最大允許功率耗散為6.875 W。根據(jù)式（1）可以估算理想匹配下的最大通過功率為580 W。

所選管子的反向額定電壓高達1 000 V，所以其反向偏置時功率容量很大，管子的功率容量由正向偏置時所能承受的最大功率決定。要保證管子在最惡劣的條件下能安全可靠地工作，根據(jù)上面分析可知要進行降額處理，一般取0.25左右，即通過功率在145 W左右。

能否通過一定功率的信號跟反向偏壓的設置也有很大關系，要防止因為反向偏壓過小，出現(xiàn)注入模式的損壞，導致電路的插損急劇增加。根據(jù)式（2）計算得，要通過150 W的功率信號需要添加的反向偏置電壓至少為33.4 V，然而這是在電壓駐波比優(yōu)于1.5的情況下計算得出的，反向偏置電壓需有一定的余量設計，最終取50 V的反向偏置電壓。

根據(jù)確定的偏置條件，可知電路中PIN管正偏時的等效電阻與反偏時的等效結電容。根據(jù)串并聯(lián)插入損耗公式和串并聯(lián)隔離度公式計算可得：

可以看出理論上隔離度與插入損耗都滿足設計指標。根據(jù)上述討論對開關進行了加工制作，所有PIN管及芯片電容通過錫金焊料燒結在氮化鋁基板上，再由金絲鍵合連接電路，見圖7。

圖7　開關實物圖（連帶測試架）

4　測試與分析

在環(huán)境溫度+85℃的條件下，給開關持續(xù)加1.3 GHz峰值功率500 W、30%占空比的功率信號，在熱成像臺上觀察PIN管的結溫，其芯片溫度不超過130℃，見圖8。說明開關能夠在平均功率150 W的信號下持續(xù)可靠地工作。在1～2 GHz的頻率上，其插入損耗小于0.8 dB，隔離度大于35 dB，見圖9和圖10。與理論計算值相比插入損耗大了不少，主要來自測試架損耗以及通過大功率信號時管子溫度的升高，至于隔離度性能的下降則主要是由于并聯(lián)管到地時寄生參數(shù)的影響。

圖8　PIN管結溫圖

圖9　開關的插入損耗

圖10　開關的隔離度

5　結論

串并聯(lián)結構的設計在插損、隔離度、處理功率等方面做了一個折衷；采用多芯片組裝工藝，把PIN管芯片通過焊料燒結在氮化鋁基板上，進一步提高了管芯的散熱能力，相比于傳統(tǒng)用封裝PIN管制作的電路，整個電路的尺寸大大縮小。在+85℃的環(huán)境溫度下，開關持續(xù)通過1.3 GHz、峰值功率500 W、30%占空比的功率信號，管子的最高結溫不超過130℃，達到2級降額標準。在L波段內(nèi)，插入損耗小于0.8 dB，隔離度大于35 dB。

［1］譙劼.大功率高隔離PIN二極管收發(fā)開關電路設計與軟件仿真研究［D］.電子科技大學，2011.

［2］懷特.微波半導體控制電路［M］.北京：科學出版社，1983.

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［5］黃貞松，楊磊.一種用于TDD通信模式的大功率射頻開關［J］.電信科學，2010，26（4）：81-84.

［6］梁鴻卿.無鉛焊料與導電膠 ［C］.表面貼裝技術研討會暨電子互聯(lián)與封裝技術研討會，2003.

Design of L-band Power Switch

MENG Xiangjun，YANG Lei，HUANG Zhensong，SONG Yan，XU Qing
（Nanjing Electronic Device Institute，Nanjing 211111，China）

Due to the strict requirements of high power，low insertion loss and high isolation，the paper makes a compromise of these parameters by selecting series/parallel circuits.Based on multi-chip module assembly technologies，the PIN diode chip is bonded on AlN ceramic substrate by highly conductive adhesive.Comparingwith conventional substrate materials，AlN has good thermal conductivity whicheliminatesthe heat sinkand reduces circuit size.The AlN-basedL-band power switch is capable of endure the pulse signal with 500 W peak power and 30%duty ratio and achieves 0.8 dB or less insertion loss and 35 dB or higher isolation.

multi-chip module；AlN ceramic substrate；power switch

TN405.97

A

1681-1070（2016）07-0034-05

2016-4-7

孟向?。?990—），男，江蘇東臺人，2013年畢業(yè)于電子科技大學電子信息工程專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀碩士研究生，主要從事射頻與微波模塊電路的研究。