T/R組件功放芯片瞬態(tài)溫度響應(yīng)研究

盛　　重，周　　駿，丁曉明，沈　　亞

（南京電子器件研究所，南京 210016）

T/R組件功放芯片瞬態(tài)溫度響應(yīng)研究

盛重，周駿，丁曉明，沈亞

（南京電子器件研究所，南京 210016）

T/R組件的熱設(shè)計(jì)是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心技術(shù)之一。在脈沖周期狀態(tài)下，T/R組件中的功放芯片在很短的時(shí)間內(nèi)，芯片溝道溫度會(huì)產(chǎn)生快速的變化。針對(duì)芯片在脈沖周期中的瞬態(tài)溫度響應(yīng)問(wèn)題，對(duì)芯片溝道溫度的瞬態(tài)變化進(jìn)行仿真研究，并利用紅外熱分析儀進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者結(jié)果吻合較好，滿足T/R組件的使用要求。

瞬態(tài)溫度；熱仿真；T/R組件

1　　引言

有源相控陣?yán)走_(dá)中，有源陣面占整個(gè)雷達(dá)70%左右的成本，而有源陣面的核心部件是T/R組件［1］。當(dāng)T/R組件中的功放芯片工作時(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。隨著雷達(dá)制導(dǎo)精度的提高，跟蹤目標(biāo)批次的增多，使得雷達(dá)的工作頻段和功率不斷提高，陣面更加復(fù)雜化，其熱設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要。

T/R組件中的功放芯片在脈沖周期狀態(tài)下，在很短的時(shí)間內(nèi)芯片溝道溫度可能產(chǎn)生快速的變化，其電學(xué)特性、物理參數(shù)相應(yīng)地發(fā)生變化，從而影響整個(gè)功放芯片的性能，這種劇烈的溫度變化導(dǎo)致功放芯片性能的變化是不能忽略的。因此，有必要對(duì)脈沖周期內(nèi)芯片溝道溫度的瞬態(tài)變化進(jìn)行研究［2］。

對(duì)T/R組件的熱設(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［3］。熱仿真能夠在產(chǎn)品開(kāi)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。

文中針對(duì)T/R組件中功放芯片的瞬態(tài)傳熱問(wèn)題，基于熱仿真軟件Flotherm，對(duì)芯片在熱功率信號(hào)作用下的溫度瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。根據(jù)芯片熱功率信號(hào)的方波響應(yīng)曲線，對(duì)脈沖信號(hào)周期與芯片的瞬態(tài)溫度沖擊之間的關(guān)系進(jìn)行分析。該研究分析對(duì)功放芯片的抗熱沖擊和熱疲勞的能力具有理論指導(dǎo)意義。

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?chē)佑|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，在工程中通常考慮兩個(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瞬態(tài)熱傳導(dǎo)

在空間問(wèn)題中，瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)方程變量Φ（x，y，z，t）在直角坐標(biāo)系中的微分方程為：

式中，ρ為材料密度，c為材料比熱容，t為時(shí)間。

文中的邊界條件可以簡(jiǎn)化為熱力學(xué)問(wèn)題中的第一類邊界條件，文中計(jì)算所用的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析與通常所用的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的最大區(qū)別是瞬態(tài)溫度場(chǎng)函數(shù)T（x，y，z，t），而穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)函數(shù)是T（x，y，z），經(jīng)有限元空間離散后，瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為：

通過(guò)上式迭代計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)的溫度矩陣T。

3　　熱仿真模擬計(jì)算

3.1Flotherm簡(jiǎn)介

Flotherm是由英國(guó)Flomerics軟件公司開(kāi)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。

該軟件后處理模塊中，可以清晰顯示最大最小值、復(fù)雜空間等值曲線、物體表面溫度分布以及流體粒子的三維動(dòng)畫(huà)等形式。軟件接口模塊可以方便地讀入IGES、SAT、STEP、STL格式的三維幾何實(shí)體模型，大大縮短建模的時(shí)間。

3.2T/R組件模型建立和網(wǎng)格劃分

如圖1所示，T/R組件的實(shí)體模型由三維軟件繪制而成，T/R組件主要由防銹鋁LF5、CuMo載體、GaAs芯片、AuSn焊料、SnPb焊料、微帶線等組成。將實(shí)體模型導(dǎo)入到Flotherm熱分析軟件中并簡(jiǎn)化處理，對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格。模型中的網(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)。T/R組件中功放芯片是研究的重點(diǎn)，因此將細(xì)密的局部網(wǎng)格應(yīng)用于功放芯片，對(duì)T/R組件外殼及其他部位采用粗糙網(wǎng)格劃分。

圖1　 T/R組件圖

3.3脈沖周期及材料屬性的加載

圖2是功放芯片脈沖周期圖，控制盒附于功放芯片的頻率為2 kHz，周期為500 μs，取占空比為10%，即功放芯片在每個(gè)周期內(nèi)工作50 μs，斷開(kāi)450 μs。將T/R組件實(shí)體模型導(dǎo)入到flotherm軟件中并做簡(jiǎn)化處理，并將軟件中自帶的材料屬性附于每個(gè)實(shí)體，材料屬性參數(shù)如表1所示。通過(guò)實(shí)際測(cè)試計(jì)算可知，在占空比為10%的情況下，功放芯片的熱損耗功率為3.6W。為了與實(shí)際情況相符，在功放芯片上用軟件中的面source建立柵條，將熱損耗功率按比例平均分配到每根柵條上。

表1　材料參數(shù)

4　　結(jié)果與分析

4.1瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線

圖3為T(mén)/R組件中功放芯片在工作周期500 μs、取占空比為10%的溫度計(jì)算結(jié)果，取功放芯片從開(kāi)始工作的0 μs到5000 μs時(shí)間段進(jìn)行研究，具體溫度數(shù)值如表2所示。從表2的溫度數(shù)值中可知，芯片從0μs到5000 μs的時(shí)間范圍內(nèi)，共經(jīng)歷了10個(gè)周期，芯片工作的10個(gè)周期的過(guò)程中，溫度都逐漸升高，相隔的兩個(gè)周期內(nèi)的溫差保持在0.2℃左右。每個(gè)周期的溫度最大最小值在10℃范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖2　功放芯片脈沖周期圖

圖3　瞬態(tài)溫度曲線圖

表2　瞬態(tài)溫度值

圖3的瞬態(tài)溫度曲線圖更加能直觀地表示數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況。從圖3中可知，在5000 μs的工作范圍內(nèi)，隨著功放芯片的開(kāi)通與閉合，溫度曲線呈均勻的同幅度震蕩規(guī)律，并穩(wěn)步上升，在達(dá)到穩(wěn)定振蕩前有一個(gè)明顯的爬升過(guò)程，即由低溫向高溫逐漸過(guò)渡的階段。通過(guò)仿真模擬，結(jié)合圖3可知，功放芯片在一個(gè)周期內(nèi)的溫度波動(dòng)還是很劇烈的，功放芯片的瞬態(tài)溫度沖擊對(duì)芯片的電學(xué)特性、物理參數(shù)勢(shì)必會(huì)有影響，仿真結(jié)果對(duì)功率芯片的抗熱沖擊和熱疲勞的能力具有理論指導(dǎo)意義。

將時(shí)間步長(zhǎng)拉大，忽略微秒級(jí)別的溫度波動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注功放芯片溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。圖4為T(mén)/R組件中功放芯片從最初工作狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定溫度狀態(tài)的溫度曲線圖。從圖中可以看出，0～50 s的時(shí)間范圍內(nèi)，溫度上升得很快，溫度上升曲線呈現(xiàn)線性狀態(tài)。從50 s到100 s的過(guò)程中，溫度上升曲線逐漸緩慢，曲線呈現(xiàn)非線性狀態(tài)，100 s到110 s的過(guò)程中，溫度曲線基本平緩，110 s以后溫度基本趨于平穩(wěn)，即功放芯片達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4中可知芯片工作時(shí)溫度變化的規(guī)律，通過(guò)仿真結(jié)果可知芯片達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，為T(mén)/R組件工作狀態(tài)下達(dá)到熱平衡提供理論數(shù)據(jù)。

圖4　溫度曲線圖

4.2瞬態(tài)溫度云圖

圖5是T/R組件中功放芯片在10 s、50 s、100 s、150 s的瞬態(tài)溫度云圖。從溫度云圖中可知，芯片的管芯處溫度最高，溫度場(chǎng)由管芯向外殼緩慢傳遞，溫度逐漸降低。功放芯片在工作的第10 s時(shí)的芯片結(jié)溫為41.7℃，第50 s時(shí)已達(dá)到72.4℃，當(dāng)時(shí)間在100 s及150 s時(shí)，芯片結(jié)溫相差不大，芯片已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　瞬態(tài)溫度云圖

5　　試驗(yàn)分析

5.1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。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。它利用窄禁帶半導(dǎo)體對(duì)紅外光的響應(yīng)特性，在紅外頻段對(duì)器件熱發(fā)射率進(jìn)行直接測(cè)量，并將其測(cè)試結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)換為溫度分布曲線。瞬態(tài)紅外測(cè)試是電子器件瞬態(tài)熱分析的有效手段，主要應(yīng)用于測(cè)試電子器件的瞬態(tài)峰值結(jié)溫，尤其適合射頻和微波脈沖功率器件的瞬態(tài)熱分析［4］。

5.2試驗(yàn)結(jié)果

使用QFI InfrascopeⅡ型紅外熱像儀對(duì)微波瞬態(tài)工作的器件進(jìn)行結(jié)溫測(cè)試。測(cè)試時(shí)，需把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的脈沖信號(hào)同步傳送給紅外熱像儀，紅外熱像儀即可探測(cè)器件工作時(shí)器件結(jié)溫隨脈沖信號(hào)的變化過(guò)程。這種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以直觀測(cè)量器件熱特性，同時(shí)可以得到較高的精度，其溫度分辨率能達(dá)到0.1℃。紅外熱成像測(cè)量須采用恒定的平臺(tái)溫度。

由圖6（a）可知，截取已經(jīng)達(dá)到溫度平衡狀態(tài)下的脈沖信號(hào)5個(gè)周期進(jìn)行觀察研究，芯片中心處的溫度呈現(xiàn)鋸齒狀變化，穩(wěn)定振蕩階段的溫度爬升過(guò)程已經(jīng)很不明顯。但在脈沖周期工作狀態(tài)時(shí)間過(guò)程中，在極短時(shí)間內(nèi)功放芯片溫度有一個(gè)突然的攀升，會(huì)給芯片造成劇烈的溫度沖擊。穩(wěn)定狀態(tài)下的芯片結(jié)溫云圖如圖6（b）所示，從該圖中可看出芯片管芯位置的溫度最高，達(dá)到了83.9℃，仿真與實(shí)測(cè)的誤差低于5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。果吻合。文中結(jié)果對(duì)功放芯片的抗熱沖擊和熱疲勞能力具有理論指導(dǎo)意義，為T(mén)/R組件功放芯片工作狀態(tài)下達(dá)到熱平衡提供理論數(shù)據(jù)。

圖6　測(cè)試結(jié)果圖

［1］於洪標(biāo).X波段T/R組件功率放大器芯片的熱設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32（4）：74-78.

［2］熊小明，郭世嶺，周衛(wèi).GaAs MESFET脈沖微波功率器件瞬態(tài)熱場(chǎng)模型［J］.電子測(cè)量技術(shù)，29（5）：51-54.

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

［4］姚立真.可靠性物理 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：242-257.

6　　結(jié)論

T/R組件的熱設(shè)計(jì)是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心技術(shù)之一，其中功放芯片在脈沖周期狀態(tài)下，芯片溝道溫度產(chǎn)生快速變化，從而影響整個(gè)功放芯片的性能。文中對(duì)脈沖信號(hào)周期與芯片的瞬態(tài)溫度沖擊之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，并與試驗(yàn)結(jié)果相比較，兩者之間結(jié)

Studies of Transient Temperature Response of Power Amplifier ICs in T/R Module

SHENG Zhong，ZHOU Jun，DING Xiaoming，SHEN Ya

（Nanjing Electronic Device Institute，Nanjing 210016，China）

Thermal design of T/R module is one of the key technologies in active phase array radar.In pulse periods，the channel temperature of the power amplifier will change in the T/R module during a short time.In the paper，the transient changing of the channel temperature of the chip is analyzed using thermal simulator software，and the temperature is tested by infrared analyze instrument.The comparison between simulated and tested results shows that the presented designs are valid to T/R modules.

transient temperature；thermal simulation；T/R module

TG454

A

1681-1070（2016）10-0039-04

2016-6-5

盛重（1984—），男，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)。