RF功率器件的設計及應用

開(kāi)發(fā)這些封裝晶體管的非線(xiàn)性電熱模型，使最復雜的測量和仿真技術(shù)成為可能。成功的建模還必須解決一些問(wèn)題，包括匹配網(wǎng)絡(luò )中組成部分之間以及邦定線(xiàn)陣列之間的電磁交互作用、熱管理、器件熱模型與電模型的自相容集成，以及建立晶體管本身的非線(xiàn)性模型等。

飛思卡爾采用分割的方法來(lái)開(kāi)發(fā)模型，在這種方法中，封裝晶體管被認為是可以分為更小組成部分的系統，如圖7所示。每個(gè)組件被分別建模，然后獨立的模型被集成到代表封裝器件的單一模型中。這種方法降低了計算負荷并建模復雜性，并表征了內部器件耦合的特性。這些特性包括在最終的模型中，以提高仿真精度。

封裝晶體管模型的核心是本征晶體管的非線(xiàn)性模型，這個(gè)非線(xiàn)性模型是從與偏置有關(guān)的S參數測量中提取出來(lái)的。精密的分層(deem-bedding)技術(shù)被用來(lái)描述和去除多重性以及外部組成部分，從而提取非線(xiàn)性模型。飛思卡爾采用Root模型和MET型來(lái)描述非線(xiàn)性模型。MET模型的熱模型是通過(guò)改變裸片溫度范圍的測量來(lái)決定的，并且與非線(xiàn)性點(diǎn)模型自相容地耦合。在普通CAD工具中，MET模型是RF功率晶體管的事實(shí)標準非線(xiàn)性模型。

在封裝內匹配網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)源器件的模型是由線(xiàn)性S參數測量和電磁仿真決定的。利用高精度紅外(IR)顯微鏡的測量結構生成封裝和散熱器的熱模型。

當模型生成之后，通過(guò)比較模型預測與在模型生成中未被采用的獨立測量數據，開(kāi)始確認模型工作的最后步驟。飛思卡爾基于其負荷拉移測量能力，制訂出一套行之有效的方法來(lái)確認它的大信號模型。本質(zhì)上說(shuō)，CAD工具被用來(lái)模仿大功率器件在負載拉移測試期間觀(guān)察到的環(huán)境。在非線(xiàn)性諧波平衡仿真過(guò)程中，對基頻和諧波頻率下的待測器件(DUT)的負載拉移S參數進(jìn)行同步，以提出負載阻抗。測量和建模能力的配合有助于優(yōu)化模型，以匹配測量結果。

圖8和圖9是與圖6類(lèi)似的硅LDMOS晶體管模型確認的例子。該器件已經(jīng)被設計用于860和960MHz頻段N-CDMA、GSM和GSM/EDGE基站應用，且在典型的GSM應用中具有28V電源電壓和1,200mA靜態(tài)漏電流。該晶體管在1dB壓縮點(diǎn)能提供160WCW功率。該晶體管包括三個(gè)有源裸片，具有大約270mm的柵長(cháng)。封裝中包括了輸入匹配網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)T型網(wǎng)絡(luò )采用78個(gè)邦定線(xiàn)和MOS電容。組成組成部分的模型如前所述，然后利用這些組成部分構建完整的模型。確認部分包括了大信號模型和雙音仿真，它在脈沖條件下實(shí)現，以提供恒溫環(huán)境。在同樣熱條件以及輸入和輸出負載條件下進(jìn)行了負載拉移測量，并將測試結果與仿真結果比較。輸出功率、三階互調失真(IM3)、功率附加效率(PAE)以及轉換器增益的測量和仿真如圖8和9所示。采用分別在最大功率附加效率和最大輸出功率下諧振的已封裝晶體管，來(lái)實(shí)現功率掃描或拉升測量。在測試條件范圍內，測量和仿真結果非常吻合。

塑料封裝

大功率RF和微波半導體晶體管一般采用OMP封裝或氣腔封裝封裝。用于大功率RF和微波應用的晶體管要消耗大量的功率，因此它工作時(shí)的結溫很高。在封裝設計過(guò)程中，必須遵守嚴格的熱機械設計要求，以確保該封裝可以發(fā)散晶體管產(chǎn)生的大量熱量，而不會(huì )使其電性能下降。此外，封裝必須堅固，具有很高的機械強度以保證蜂窩基站和廣播系統的可靠性。

典型的氣腔封裝和OMP封裝如圖10所示。塑料封裝晶體管的內部成分是超模壓低損耗塑料材料。雖然新的功能性更強的多級大功率RF IC具有更多引腳，但大部分大功率晶體管封裝采用兩個(gè)或四個(gè)引腳。封裝針對引腳而設計，以便放置在PCB頂層微帶傳輸線(xiàn)上。法蘭焊盤(pán)的背面一側接觸功率放大器的散熱器，形成與微帶線(xiàn)底面連接器相連的導電連接，以及與散熱器連接的導熱連接，后者使得熱量從封裝晶體管傳導出去。

氣腔封裝是最昂貴的功率晶體管封裝形式，這歸結于氣腔封裝所采用的材料。由于功率晶體管是RF功率放大器中最貴的組成部分，所以這些氣腔封裝通常是設計和材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中降低成本的目標。

過(guò)去六年以來(lái)，飛思卡爾已經(jīng)系統地重新對氣腔封裝進(jìn)行工程化，采用新的材料進(jìn)行設計，以提高性能并將降低封裝成本。2004年，飛思卡爾在其封裝中對散熱器材料做了改變，將熱性能提高了15-35%。這一性能改善使業(yè)界很快接受了改善后的封裝設計。

隨著(zhù)用于大功率RF晶體管塑料封裝技術(shù)的創(chuàng )新開(kāi)發(fā)，飛思卡爾進(jìn)一步降低了封裝成本。采用OMP封裝解決方案，飛思卡爾可以提供在2.1GHz下具有130W功率的RF晶體管，與金屬陶瓷氣腔封裝產(chǎn)品進(jìn)行競爭。迄今為止，已有超過(guò)3,000萬(wàn)個(gè)超模壓封裝RF功率晶體管交付使用。此外，飛思卡爾提供超過(guò)12個(gè)不同封裝方案以及OMP封裝技術(shù)中的引腳配置，可實(shí)現各種功率RF IC產(chǎn)品。

這些OMP晶體管完全適用于傳統的大功率RF應用。封裝、材料和生產(chǎn)工藝的基本設計來(lái)自于飛思卡爾為最苛刻的環(huán)境條件而設計的大功率汽車(chē)和工業(yè)用封裝技術(shù)。這些封裝設計可達到超過(guò)1,900年的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。OMP封裝的機械公差很小，相對傳統的氣腔封裝，其公差指標有很大改善(高達50%)。很小的尺寸公差以及優(yōu)異的濕度靈敏度等級(MSL)額定值使這些封裝適合于放大器裝配的自動(dòng)化PCB生產(chǎn)。

有了氣腔外殼，OMP封裝可以可靠地工作在器件結溫度超過(guò)+200℃的情況下。集成的銅散熱器提供良好的耐熱性和散熱性，并且該封裝支持無(wú)鉛引腳(RoHS)互連工藝，在+260℃回流焊工藝中具有3或更高的MSL額定值?？紤]到與標準的符合性，OMP封裝已注冊成為JEDEC標準。

飛思卡爾在專(zhuān)門(mén)配備的熱分析實(shí)驗室*估了不同封裝類(lèi)型的性能。封裝晶體管的熱性能是完整的無(wú)線(xiàn)基站收發(fā)信臺(BTS)所要求的系統級冷卻性能的一個(gè)主要因素。封裝的散熱能力由其熱阻決定，熱阻即為由消耗功率所產(chǎn)生的兩點(diǎn)之間的溫度差。

為獲得封裝晶體管的熱阻，飛思卡爾制訂了一套嚴格的方法，采用紅外線(xiàn)(IR)顯微鏡來(lái)測量工作在實(shí)際節點(diǎn)阻抗和信號激勵下的晶體管裸片的溫度。在顯微鏡下，裸片的溫度分布可以被看成是功率大小、偏置、匹配條件、頻率，甚至是所選擇的調制方式(例如WCDMA或IS-95)的函數。晶體管消耗60W功率的IR圖像照片如圖11所示。

使用IR顯微鏡可以定位出測量區域的最大裸片表面溫度。在熱測量期間，可以確定封裝晶體管的底部的溫度，并通過(guò)熱電偶進(jìn)行監測，或者直接在晶體管的活動(dòng)單元或產(chǎn)生熱的區域進(jìn)行定位，如圖12所示?？赏ㄟ^(guò)在晶體管的陶瓷蓋上鉆孔，或者除去蓋子來(lái)直接觀(guān)察裸片表面。對OMP封裝，可以刻蝕掉模壓封裝使裸片的表面暴露出來(lái)。

應用工程

飛思卡爾的大功率RF器件支持團隊包括富有創(chuàng )造力和經(jīng)驗的應用工程師，他們協(xié)助客戶(hù)對廣泛的商用工業(yè)、醫療、航空電子、廣播以及蜂窩基礎設施應用進(jìn)行電路設計與故障診斷。由于現代RF功率放大器的系統級復雜性很高，這種任務(wù)已成為一種必然，并隨著(zhù)通常設計周期時(shí)間的急劇減少而增加。飛思卡爾的RF應用團隊重點(diǎn)關(guān)注這些復雜問(wèn)題，并幫助客戶(hù)在應用中使用這些器件，使飛思卡爾的晶體管方便、快速、無(wú)縫地集成到客戶(hù)的設計中。

為縮短客戶(hù)的設計周期，飛思卡爾的應用團隊已經(jīng)著(zhù)手開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的適合GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等特定大容量應用的RF器件示范電路。這些系統級電路采用小尺寸的普通和商用RF器件，以及典型的組裝流程，例如回流焊、表面貼裝或器件夾具法，證明了全部RF器件系列的性能。此外還采用了電路級效率和線(xiàn)性增強技術(shù)，比如Doherty以及模擬預矯正(APD)方法，以便讓客戶(hù)能更好地理解不同設計方法的優(yōu)勢。

圖13為其中一個(gè)示范電路。這個(gè)電路被用來(lái)演示完整的1,800MHz GSM產(chǎn)品系列，包括驅動(dòng)MW7IC18100N大功率RF的ICMMG3005 GPA。MMG3005是A類(lèi)偏置InGaP HBTC，在1dB壓縮下