用于軍事和航空航天領(lǐng)域的高可靠性技術(shù)

高壓LDMOS是高達3.8GHz的國防和航空電子設備RF功率應用的最佳技術(shù)選擇。該技術(shù)將高功率密度、高強度與高于雙級設備的增益和效率相結合。此外，因為基于高容量的Si制造流程，高壓LDMOS的可靠性眾所周知且已經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗證。LDMOS的固有特性使其可承受+5dB的過(guò)驅動(dòng)，且無(wú)故障風(fēng)險，靈活性的提升有助于實(shí)現不同的脈沖格式并防止熱失控，從而使整體系統設計比既有的雙極技術(shù)更簡(jiǎn)單。

LDMOS總體性能

Si LDMOS (橫向擴散金屬氧化物半導體) 技術(shù)用于國防和航空航天應用領(lǐng)域已有近10年的歷史。第一款LDMOS晶體管BLA1011-200 于2001年被用于航空電子設備。與此同時(shí)，隨著(zhù)新工藝的性能不斷提升，且最近一項高壓 (50V) 技術(shù)在每個(gè)單一設備 上實(shí)現了高達600W的功率級別，LDMOS已不斷深入航空電子設備市場(chǎng)。近年來(lái)，功率密度、增益及效率顯著(zhù)提升 (分別參見(jiàn)圖1、圖2及圖3)。


圖1 在3.6 GHz下負載牽引系統中無(wú)內部比對時(shí)對封裝設備進(jìn)行測量，LDMOS功率密度的變化


圖2 在f=3.6GHz下通過(guò)負載牽引技術(shù)測量隨后各代LDMOS的增益提高。插圖所示為柵極長(cháng)度的縮短



圖3 電源電壓為28V時(shí)在3.6 GHz下LDMOS最大漏極效率的變化
健壯性

健壯性 (即通常所說(shuō)的承受“惡劣”RF條件的能力) 是否不匹配或顯著(zhù)縮短脈沖升降次數對實(shí)現可靠的設備性能至關(guān)重要。恩智浦始終致力于實(shí)現最佳的設備強度。在開(kāi)發(fā)階段，這些技術(shù)已經(jīng)過(guò)最嚴格的強度測試，尤其是50V的高壓技術(shù)。在其他因素中，寄生雙極管的基極電阻和LDMOS設備的漏極延伸極其重要。如圖4所示，我們采用了兩種參數以在50V技術(shù)節點(diǎn)下實(shí)現高達150V的漏極擊穿電壓。



圖4 采用不同技術(shù)時(shí)高壓廣播LDMOS的脈沖電流電壓測量值

圖5 分別采用GEN4和GEN5技術(shù)制造的W-CDMA、EDGE及GSM設備的MTF比較。請注意功率密度，GEN5設備的電流密度比GEN4設備高20%。GEN5設備的熱阻低于GEN4設備

這將最終使設備始終能在額定負載和所有相位角下承受至少為10:1的VSWR，且正常工作。

鋁金屬化

早期的LDMOS技術(shù)涉及金金屬化和接合線(xiàn)，因此具有高電遷移耐力的固有優(yōu)勢?，F代亞微米芯片制造工廠(chǎng)中，新技術(shù)節點(diǎn)的發(fā)展促成了基于鋁的金屬化和接合線(xiàn)的使用。當然，當時(shí)認為鋁在承受脈沖應用時(shí)的可靠性要低于金。然而，關(guān)于該領(lǐng)域的廣泛研究和經(jīng)驗表明，即使鋁在某些方面未必優(yōu)于金，但就此方面的性能而言，兩者相當。將在設備上采用鋁金屬化的第五代技術(shù)與采用金的第四代 (Gen 4) 技術(shù)相比，產(chǎn)生故障的平均時(shí)間一樣，但第五代設備的功率密度更高。圖5所示為結果，在該情況下，GSM基站設備的運行壓力 (CW運行) 高于脈沖雷達晶體管。

圖6 故障率為0.1%時(shí)的脈沖次數與電線(xiàn)電流和接合角度

另一個(gè)爭論的焦點(diǎn)是鋁接合線(xiàn)的使用。人們擔心脈沖操作可能因為焦耳加熱 (每次脈沖) 導致接合線(xiàn)發(fā)生“移位”，最終因為機械疲勞引起破裂或斷裂。我們設計了故障檢修實(shí)驗，以校準可預測壽命的型號。事實(shí)證明，在第一次接合之后，接合線(xiàn)總是發(fā)生破裂。破裂概率 (TTF0.1%) 還取決于接合角度 (即電線(xiàn)與平面所成的角) 以及所采用的電流密度。圖6所示為結果。顯而易見(jiàn)，接合角度和電流越小越好。鑒于設計規則中的結果，我們在開(kāi)發(fā)時(shí)可以確保設備的必要壽命和/或可靠性。