基于GaN 技術(shù)的大功率T/R 組件可靠性設(shè)計(jì)與分析

彭祥飛，江浩，鄧林

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29 研究所，成都 610036）

T/R 組件是集模擬電路、數(shù)字電路、大功率微波電路和小信號(hào)微波電路于一體的綜合電子組件。T/R組件的主要作用是完成發(fā)射信號(hào)的高功率放大以及接收信號(hào)的低噪聲放大。由于T/R 組件具有發(fā)射功率大、功能復(fù)雜等特點(diǎn)，它作為有源相控陣干擾機(jī)的核心組件被廣泛使用。T/R 組件一般安裝在天線陣面上，根據(jù)實(shí)際匹配的天線單元數(shù)量，單型有源相控陣干擾裝備中使用的T/R 組件可達(dá)上萬個(gè)，成本達(dá)整個(gè)設(shè)備的60%以上。T/R 組件的功能、性能及可靠性直接關(guān)系到裝備使用效能。上述因素對(duì)T/R 組件的使用提出了苛刻要求，即在緊湊結(jié)構(gòu)空間約束條件下，T/R 組件應(yīng)具備長(zhǎng)時(shí)間、高可靠穩(wěn)定工作。

伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體微波功率器件的技術(shù)更新?lián)Q代，T/R 組件的發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段。

1）第一代是基于硅器件的T/R 組件。該時(shí)期T/R組件中，Si 管功率器件輸出功率可達(dá)一百多瓦。但是，Si 管功率器件不能連續(xù)波工作，且工作頻率較低，最高工作頻率只在S 波段，制約了T/R 組件的應(yīng)用[1-2]。

2）第二代T/R 組件，也是目前廣泛使用的T/R組件，以GaAs 為代表的寬禁帶微波功率器件作為其功率放大的核心器件。受限于GaAs 材料的低熱導(dǎo)率、低擊穿場(chǎng)強(qiáng)等特性，GaAs 單管輸出功率僅幾瓦，難于實(shí)現(xiàn)T/R 組件大功率輸出，制約了T/R 組件在固態(tài)大功率的應(yīng)用發(fā)展[3-4]。

3）第三代T/R 組件，以GaN 為代表的寬禁帶微波功率器件作為其功率放大的核心器件。得益于GaN材料擁有高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、寬禁帶、高電子飽和速率、高電子遷移率、較強(qiáng)抗輻照能力、較好化學(xué)穩(wěn)定性等特性，GaN 功率器件單位毫米柵寬輸出功率可達(dá)幾十瓦[5-6]，遠(yuǎn)高于GaAs 微波功率器件輸出功率，使得基于GaN 技術(shù)的T/R 組件已成為當(dāng)前固態(tài)大功率發(fā)展的熱點(diǎn)。

文中基于T/R 組件工作原理和GaN 大功率微波器件的實(shí)際特點(diǎn)，從大功率T/R 組件電路設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等方面對(duì)高可靠性大功率T/R 組件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1 GaN 大功率T/R 組件電路設(shè)計(jì)

T/R 組件主要由大功率開關(guān)、限幅器、低噪聲放大器、衰減器、開關(guān)、移相器、驅(qū)動(dòng)放大器及功率放大器等功能電路組成，其原理如圖1 所示。其中大功率微波電路是實(shí)現(xiàn)T/R 組件大功率信號(hào)放大的核心電路。同時(shí)，大功率微波電路通過電流大，是T/R 組件主要的高熱耗單元，其輸出功率的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量。大功率微波電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與功率合成方式、功率器件類型密切相關(guān)，同時(shí)該電路具有大功率、高熱耗等特點(diǎn)，使得電路設(shè)計(jì)制造存在諸多難點(diǎn)，這使得T/R 組件可靠性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路原理如圖2 所示。受限于單管GaAs 功率器件輸出功率不足，基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路通常采用多級(jí)多路信號(hào)合成的方式實(shí)現(xiàn)大功率信號(hào)放大，以實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)能力生成。具體地，在電路結(jié)構(gòu)上，基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路由兩級(jí)功率合成單元組成，每級(jí)功率合成由兩個(gè)功率合成網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)功率放大管并聯(lián)組成。多級(jí)多路合成方式使得該電路呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件數(shù)量多、加工制造工序多等特點(diǎn)，導(dǎo)致T/R 組件在設(shè)計(jì)階段難以保證固有可靠性能力的同時(shí)，降低工藝可靠性水平。

基于GaN 器件大功率微波電路主要由驅(qū)動(dòng)放大器和GaN 功率放大器組成，原理如圖3 所示[7-9]。相較于基于GaAs 的大功率微波電路，基于GaN 的大功率微波電路中單管GaN 功率器件即可實(shí)現(xiàn)多管GaAs功率器件的合成功率，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式大幅簡(jiǎn)化的同時(shí)，輸出功率進(jìn)一步提高。GaAs T/R 組件輸出功率測(cè)試曲線如圖4 所示，輸出功率均值為39 dBm。GaN T/R 組件輸出功率測(cè)試曲線如圖5 所示，輸出功率均值達(dá)42 dBm，組件全頻段輸出功率提高3 dB。另一方面，由于T/R 組件發(fā)射電路中芯片、芯片鍵合焊點(diǎn)及芯片間鍵合金絲金帶數(shù)量的減少，降低了各級(jí)輸出匹配電路、輸入匹配電路的復(fù)雜度，顯著提升了T/R組件發(fā)射通道幅相的一致性，有效地解決了大信號(hào)非線性條件下T/R 組件發(fā)射通道工作難以保證良好幅相一致性的問題[10-12]。

圖2 GaAs 發(fā)射電路原理Fig.2 Principle of GaAs transmit circuit

圖3 GaN 發(fā)射電路原理Fig.3 Principle of GaN transmit circuit

圖4 GaAs T/R 組件輸出功率Fig.4 Output power of GaAs T/R module

圖5 GaN T/R 組件輸出功率Fig.5 Output power of GaN T/R module

在可靠性基本理論中，產(chǎn)品的基本可靠性模型是用來評(píng)估產(chǎn)品組成單元故障引起的維修與保障模型?；究煽啃阅Ｐ褪且粋€(gè)串聯(lián)模型，其模型可以描述為：

式中：λ 為產(chǎn)品的總失效率；λi為產(chǎn)品組成各單元的失效率。由此可見，元器件數(shù)量越多，失效率越高，可靠性會(huì)降低[13-15]。因此，在滿足組件功能性能的前提下，盡量減少元器件數(shù)量是提高產(chǎn)品可靠性的方法之一。

基于GaN 和GaAs 的T/R 組件大功率微波電路元器件使用情況見表1?；贕aN 的T/R 組件單發(fā)射通道中，大功率微波電路元器件數(shù)量由GaAs 電路中的42 個(gè)減至10 個(gè)。在微電路芯片減少的同時(shí)，顯著減少電容使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)T/R 組件可靠性設(shè)計(jì)的大幅提升。在實(shí)際電子戰(zhàn)設(shè)備應(yīng)用中，T/R 組件發(fā)射通道可達(dá)上百個(gè)，由此可帶來客觀元器件總數(shù)量減少，因此在設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)裝備可靠性能力的提升。

表1 大功率發(fā)射電路元器件使用情況Tab.1 Usage of high-power transmitting circuit components

2 GaN 大功率T/R 組件熱設(shè)計(jì)

在大功率T/R 組件的工程應(yīng)用中，熱一直是制約電子設(shè)備發(fā)揮效能的瓶頸問題，已成為影響T/R 組件可靠性的主要因素。雖然T/R 組件在經(jīng)歷GaAs 微波單片革新后，其可靠性得以較大提高，但是這種半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換效率低，其熱耗使得芯片局部工作環(huán)境變得尤為惡劣。芯片的高熱密度引起T/R 組件不同封裝集成材料間因熱膨脹系數(shù)失配出現(xiàn)裂紋或變形，且不同的溫度梯度、不一致材料膨脹系數(shù)將影響產(chǎn)品的穩(wěn)定工作[16-19]。根據(jù)Arrhenius 模型[20]，高溫將加速電子產(chǎn)品的性能退化，并減少電子元器件的使用壽命。半導(dǎo)體器件壽命與溫度的關(guān)系如圖6 所示，可以看出，芯片溫度是制約T/R 組件可靠性設(shè)計(jì)的重要因素。因此，在大功率T/R 組件研制時(shí)，不僅應(yīng)關(guān)注產(chǎn)品功能性能符合性，還應(yīng)著重設(shè)計(jì)T/R 組件功率轉(zhuǎn)換效率、減少熱耗、控制芯片溫度，以此提高產(chǎn)品的可靠性。

在實(shí)際工程上，基于GaAs 技術(shù)的T/R 組件若實(shí)現(xiàn)10 W 功率輸出、大于30 dB 增益放大的需求，需采用兩級(jí)功率合成實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)功率合成采用兩片0.5 W 驅(qū)動(dòng)放大器合成1 W 功率輸出。第二級(jí)功率合成采用四片4 W 功率放大器合成10 W 功率輸出。整個(gè)T/R 組件熱耗達(dá)90 W，發(fā)射功率轉(zhuǎn)換效率為10%。相比而言，10 GHz 頻段以下，GaN 芯片熱流密度已達(dá)到400 W/cm2，而GaAs 芯片尚不足200 W/cm2?；贕aN 技術(shù)的T/R 組件，若實(shí)現(xiàn)20 W 功率輸出、大于30 dB 增益的放大需求，驅(qū)動(dòng)放大器和功率放大器分別只需單管便能實(shí)現(xiàn)。整個(gè)T/R 組件熱耗為75 W，發(fā)射功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)21%，T/R 組件發(fā)射效率提升10%。試驗(yàn)表明，GaN 器件工作結(jié)溫達(dá)225 ℃，而GaAs 器件工作結(jié)溫不超175 ℃。因此，GaN 器件可以承受更高的工作溫度。

綜上所述，基于GaN 技術(shù)的T/R 組件已突破現(xiàn)有T/R 組件高熱耗、低轉(zhuǎn)換效率等短板，并借助GaN 器件更高的工作結(jié)溫實(shí)現(xiàn)大功率T/R 組件可靠性設(shè)計(jì)。

圖6 器件壽命與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between device life and temperature

3 結(jié)語(yǔ)

文中結(jié)合T/R 組件的工作原理，對(duì)影響大功率T/R 組件可靠性的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。通過與現(xiàn)有的基于GaAs 技術(shù)的T/R 組件設(shè)計(jì)電路對(duì)比分析，闡述了基于GaN 技術(shù)的大功率、高可靠性T/R組件的電路設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，結(jié)合GaN 器件的特性，分析基于GaN 技術(shù)T/R 組件熱設(shè)計(jì)的改善與提高。相較于現(xiàn)有的GaAsT/R 組件，基于GaN 技術(shù)的T/R組件在功能性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)其可靠性水平也顯著提升，將進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)電子戰(zhàn)裝備的高質(zhì)量發(fā)展。