2～6 GHz 小型化、高效率GaN 功率放大器

劉健，張長城，崔朝探，李天賜，杜鵬搏,，曲韓賓,

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

1 引言

隨著微波電子設(shè)備向輕量化、小型化的方向發(fā)展，業(yè)界迫切需要尺寸小、可靠性高和安裝使用方便的管殼類功率放大器[1-2]。與內(nèi)匹配功率放大器相比，封裝型功率放大器的優(yōu)勢(shì)在于尺寸小、重量輕和功率密度大[2-4]。功率放大器在射頻收發(fā)組件中扮演著重要角色，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域，功率和效率對(duì)系統(tǒng)總體能耗和散熱性能有顯著影響[5]。目前國內(nèi)外已有C、S 波段功率放大器的相關(guān)研究，但是對(duì)于寬頻帶、高效率、小型、輕薄化的功率放大器報(bào)道較少。夏永平等人在C 波段GaN 高功率放大器方面取得了一定成果[6]，周全對(duì)S 波段大功率功率管進(jìn)行了相關(guān)研究[7]。但是上述功率放大器尺寸較大且厚度較厚，不能適應(yīng)輕薄化和小型化的需求。同時(shí)，第三代半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展也對(duì)封裝技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求[8]。

面向第三代半導(dǎo)體GaN 功率芯片的開發(fā)應(yīng)用，本文在小型化、寬頻帶、高效率方面展開了研究，設(shè)計(jì)了一種2～6 GHz 的小型管殼封裝功率放大器，GaN 芯片厚度為80 μm，封裝管殼選用電性能優(yōu)越、功率密度高、可靠性高、尺寸小的方形扁平無引腳（QFN）管殼[9-10]，并通過熱仿真分析模擬封裝芯片的溫度分布，驗(yàn)證了使用該管殼封裝的散熱性能。對(duì)封裝后的功率放大器進(jìn)行測(cè)試，電性能結(jié)果顯示其飽和輸出功率大于40.5 dBm，功率附加效率大于35%，性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。

2 功率放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布局

本設(shè)計(jì)采用陶瓷方形扁平無引腳（CQFN）管殼封裝，管殼中心嵌入一個(gè)矩形熱沉作為芯片黏結(jié)區(qū)用來散熱，熱沉尺寸為4.7 mm×4.7 mm，在矩形熱沉四周分布有電連接焊盤。封帽方式為陶瓷蓋板金錫熔封，放大器的整體尺寸僅為7.0 mm×7.0 mm×1.2 mm，CQFN管殼封裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 CQFN 管殼封裝結(jié)構(gòu)

功率芯片和芯片電容與管殼芯區(qū)使用熔點(diǎn)為280 ℃的金錫焊料進(jìn)行焊接，芯片壓點(diǎn)通過鍵合線與管殼正面鍵合指連接，進(jìn)而通過陶瓷內(nèi)部走線傳輸?shù)奖趁婧副P。功率放大器的內(nèi)部裝配布局如圖2 所示，形成了“芯片—鍵合線—正面鍵和指—內(nèi)部走線—背面焊盤”的完整導(dǎo)電通路，具有尺寸小、傳輸線路短、寄生參數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。芯片下方是MoCu30 熱沉，板級(jí)組裝時(shí)熱沉直接接觸PCB 表面，大大提高了器件的散熱能力。

圖2 功率放大器的內(nèi)部裝配布局

2.2 電路設(shè)計(jì)

功率放大器的電路原理如圖3 所示，VD 為漏極電源端口，VG 為柵極電源端口。功率放大器所用的芯片基于GaN HEMT 實(shí)現(xiàn)，采用三級(jí)放大電路。芯片采用0.25 μm GaN 功率單片微波集成電路（MMIC）工藝制作，輸入、輸出壓點(diǎn)及漏極、柵極鍵合壓點(diǎn)尺寸為100 μm×100 μm，背面通孔接地，采用雙電源工作模式。芯片外部設(shè)置濾波電容，濾除電源加電時(shí)產(chǎn)生的雜波。在使用過程中應(yīng)滿足功率放大器的加電時(shí)序要求，且工作過程中輸出端不可開路或短路。

圖3 功率放大器的電路原理

功率芯片封裝進(jìn)管殼之后，互聯(lián)的鍵合金絲會(huì)使損耗增加，管殼上的微帶及鍵合絲也會(huì)引起阻抗的失配，因此在電路匹配設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)芯片、鍵合絲、管殼的空間場(chǎng)分布情況，對(duì)鍵合金絲的長度、弧度、拱高、鍵合落點(diǎn)進(jìn)行仿真，使鍵合的射頻損耗減到最小，結(jié)合鍵合絲工藝極限，最終采用2 根25 μm 鍵合金絲并聯(lián)的方式，使整個(gè)電路的輸入、輸出端口阻抗匹配至50 Ω 的最佳狀態(tài)，保證封裝芯片的高功率、高效率輸出。

3 功率放大器的熱設(shè)計(jì)

功率放大器的熱設(shè)計(jì)主要是從導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)、材料等方面來考慮。導(dǎo)熱一般有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3 種方式。從芯片上的發(fā)熱源通過芯片→芯片粘接層→外殼底座→PCB 板→散熱塊的散熱方式是熱傳導(dǎo)，從外表面到周圍環(huán)境的散熱是對(duì)流和輻射。

芯片的工作過程會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量的不斷積累會(huì)導(dǎo)致電路溫度升高，而溫度升高至結(jié)溫極限值時(shí)，將會(huì)降低電路熱可靠性，嚴(yán)重時(shí)使電路功能失效，因此有必要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，降低放大器的傳輸熱阻，提高芯片封裝的散熱性能。

3.1 熱仿真模型

根據(jù)功率放大器的裝配方式以及實(shí)際應(yīng)用條件進(jìn)行熱仿真分析。GaN 功率芯片襯底材料為SiC，尺寸為2.80 mm×2.10 mm×0.08 mm，芯片與管殼通過Au20Sn80 焊料連接；管殼與PCB 通過Sn63Pb37 焊料連接；PCB 與盒體通過Sn96.5Ag3Cu0.5 焊料連接。PCB 的板材為RT/duroid 5880，燒結(jié)管殼區(qū)域有散熱孔，散熱孔進(jìn)行金屬化處理，過孔位置參見圖4 所示的熱仿真模型。

圖4 熱仿真模型

仿真模型中焊料層與實(shí)際器件裝配模型中保持一致，界面接觸系數(shù)按照10%的空洞率設(shè)置，模型建模時(shí)對(duì)不規(guī)則圖形進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型網(wǎng)格劃分采用六面體，數(shù)量約為38 萬。表1 為模型中各零部件的熱導(dǎo)率。

表1 模型中各零部件的熱導(dǎo)率

3.2 熱仿真邊界條件

功率芯片散熱主要通過芯區(qū)熱沉將熱量傳遞到PCB 中，小部分熱量通過管殼和陶瓷蓋板向周圍環(huán)境耗散。根據(jù)GJB 548B 規(guī)定的熱性能測(cè)試方法，將放大器安裝于70 ℃恒溫的測(cè)試架上，傳熱模型如圖5 所示，按照此方法進(jìn)行芯片結(jié)溫仿真。仿真時(shí)將熱耗21 W施加在芯片有源區(qū)，采用恒溫邊界條件[11]作為仿真邊界條件，對(duì)模型進(jìn)行連續(xù)波下的穩(wěn)態(tài)熱仿真分析。

圖5 傳熱模型

3.3 熱仿真結(jié)果

在芯片封裝之前進(jìn)行熱仿真，能事先模擬出功率放大器的結(jié)溫分布，評(píng)估散熱方案的可行性。仿真得到功率放大器的溫度場(chǎng)分布，如圖6 所示，最高溫度分布在芯片有源區(qū)中心，結(jié)溫為195.33 ℃，在芯片最高限制溝道溫度225 ℃以內(nèi)，故可判定該封裝散熱形式可行。

圖6 功率放大器溫度場(chǎng)分布圖

3.4 紅外測(cè)試結(jié)果

利用紅外熱成像儀對(duì)功率放大器的結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量，值得注意的是，熱測(cè)試需要使用與熱仿真相同的條件。功率放大器的熱成像圖如圖7 所示，可以看出，芯片最高溫度為198.61 ℃，且與仿真溫度分布結(jié)果趨勢(shì)一致。

圖7 功率放大器的熱成像圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)，散熱器通過導(dǎo)熱硅脂與盒體相連，不可能達(dá)到理想恒溫條件，因此仿真散熱效果要優(yōu)于實(shí)際測(cè)試結(jié)果。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知仿真值（195.33 ℃）與實(shí)測(cè)值（198.61 ℃）的誤差在5%之內(nèi)。實(shí)測(cè)結(jié)果和熱仿真結(jié)果的高度一致驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的正確性，也驗(yàn)證了此種封裝結(jié)構(gòu)散熱的可行性。

4 功率放大器加工及測(cè)試

4.1 功率放大器研制

應(yīng)用QFN 管殼封裝的功率放大器，內(nèi)部裝配布局緊湊，功率芯片和芯片電容與管殼芯區(qū)使用金錫焊料進(jìn)行焊接，芯片端口通過金絲鍵合線與管殼鍵合指連接，最終研制出的小型化GaN 功率放大器裝配在PCB測(cè)試板上，實(shí)物如圖8 所示。

圖8 功率放大器實(shí)物

4.2 電性能測(cè)試

功率放大器的工作帶寬定義為滿足功率、增益以及效率指標(biāo)要求的頻率范圍。帶寬特性根據(jù)相對(duì)帶寬BW判定，其計(jì)算公式為

其中，f1為放大器工作頻率的下邊頻，f2為放大器工作頻率的上邊頻。若BW＜1%，稱之為窄帶功放；若BW在1%～25%，稱之為寬帶功放；若BW＞25%，稱之為超寬帶功放。本文設(shè)計(jì)的GaN 功率放大器工作頻帶為2～6 GHz，相對(duì)帶寬高達(dá)100%，為超寬帶功放。

對(duì)封裝完成的功率放大器進(jìn)行電性能測(cè)試，連續(xù)波測(cè)試條件為漏極工作電壓VD=28 V，柵極電壓VG=-1.8 V，輸入功率為17.5 dBm，微波電性能測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。在工作頻率為2～6 GHz 時(shí)，飽和輸出功率Psat＞40.5 dBm，功率增益Gain＞23 dB，功率附加效率PAE＞35%，測(cè)試結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，能很好地滿足實(shí)際需求，而且芯片在－55～+85 ℃工作環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性，證明本設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。表2 是本文與其他文獻(xiàn)中同類器件的性能對(duì)比，可以看出，本文設(shè)計(jì)的功放在帶寬、輸出功率及小型化方面有著一定的優(yōu)勢(shì)。

表2 本文與其他文獻(xiàn)中同類器件的性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款小型化封裝的超寬帶GaN 功率放大器，在工作頻率2～6 GHz 下，飽和輸出功率大于40.5 dBm，功率增益大于23 dB，功率附加效率大于35%，測(cè)試結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。在封裝前進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，將芯片最高溫度限制在198.61 ℃以內(nèi)，該功率放大器不僅散熱良好、微波電性能指標(biāo)優(yōu)異，而且體積小、重量輕、阻抗低、裝配一致性高、氣密性良好，目前已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。