射頻功率放大器的熱測(cè)量方法

射頻功率放大器的熱測(cè)量方法簡(jiǎn)介這篇文章闡述了一種被飛思卡爾使用的高功率射頻功放的熱測(cè)量方法。半導(dǎo)體器件的可靠性和器件的使用溫度有很大的關(guān)系，因此，建立使用了高功率器件的系統(tǒng)的可靠性模型，這些高功率器件的精確的溫度特性非常關(guān)鍵。芯片表面溫度測(cè)量在放大器操作的過(guò)程中，紅外顯微被用于探測(cè)芯片表面溫度。因?yàn)榧t外溫度測(cè)量方法需要直接看到芯片，芯片的陶瓷保護(hù)層就被去掉了取而代之的是一個(gè)改造后的保護(hù)層，這個(gè)保護(hù)層有個(gè)窗口以便于看到芯片。遇到塑料封裝的情況，塑封的中間部分被腐蝕掉，直到芯片表面被有效的露出來(lái)。因?yàn)樾酒蜕崞髦g的熱流動(dòng)取決于熱傳遞，由因?yàn)槿サ粜酒砻娴谋Ｗo(hù)層或混合物塑封帶來(lái)的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。暴露的芯片被包裹了一層高輻射系數(shù)的涂層（見(jiàn)附錄）以獲得固定的輻射系數(shù)，以進(jìn)行紅外熱測(cè)量。這個(gè)涂層大大提高了紅外測(cè)量的精確度，因?yàn)樗辜t外顯微鏡的輻射系數(shù)校準(zhǔn)過(guò)程變得沒(méi)有必要。這種被紅外顯微鏡制造商推薦的輻射系數(shù)校準(zhǔn)過(guò)程在補(bǔ)償硅的半透明特性帶來(lái)的誤差方面是無(wú)效的[1]。在紅外顯微過(guò)程中，測(cè)量場(chǎng)中的最高芯片表面溫度（“熱點(diǎn)”）可以被定位。熱點(diǎn)溫度被作為芯片溫度（TJ），用于熱阻抗方面。熱阻抗的計(jì)算方法后面有描述。外殼溫度（TC）測(cè)量封裝的外殼溫度（TC）由一個(gè)直徑0.020英寸的不銹鋼外殼的熱電偶（型號(hào)J；歐米茄號(hào)：JMQSS-020G-12）測(cè)量，這個(gè)熱電偶安裝在射頻電路的散熱器里。它被安裝在底部，延伸過(guò)封裝面，接觸到封裝的下表面（如圖1）。散熱器上有一個(gè)直徑0.032的孔，貫穿散熱器，以容納熱電偶的包裝。這個(gè)小孔對(duì)界面的完整性和熱流路徑的干擾最小。選擇的熱電偶不僅具有良好的熱敏性，同時(shí)具有優(yōu)良的可靠性。熱電偶上有彈簧裝置以保證和封裝底面恒定的機(jī)械接觸。熱電偶的中心位置與封裝里的最活躍的晶體管的中心的位置有關(guān)。圖1殼體溫度測(cè)量圖2熱電偶的位置圖3散熱器溫度測(cè)量散熱器溫度（TH）測(cè)量在電路的散熱器中的直接位于大功率射頻器件貼裝位置下方的散熱器溫度（TH）必須在特定的環(huán)境下測(cè)量。在這種情況下，用來(lái)按照熱電偶的直徑0.032英寸的孔鉆到離電路所在的散熱器的那一面0.010英寸的地方。這種散熱器溫度測(cè)量方法在以下情況下特別有用：大功率射頻器件被焊接在有彈簧的熱電偶不能被使用的地方；用包括了各種界面材料的熱電阻測(cè)量，例如熱油脂或者熱墊片，以決定熱阻抗層疊的表現(xiàn)。熱測(cè)量的順序在把每個(gè)金屬-陶瓷鉚接元件安裝到射頻檢測(cè)夾具之前，應(yīng)該用一個(gè)輥?zhàn)油恳粚由岣啵ǖ揽祵?40散熱復(fù)合材料）到法蘭盤的底面。一個(gè)杜邦聚甲奎樹(shù)脂夾被用來(lái)施加向下的力，這些力被施加在兩耳上和引腳上，如圖4所示。這個(gè)把元件鎖緊在散熱器上的夾子使用了兩個(gè)#4-40不銹鋼組合螺釘，每個(gè)都使用5磅-英寸的力矩?cái)Q緊。

對(duì)于鉚接的塑封器件，除去器件中部的封裝化合物會(huì)抵消一部分器件的機(jī)械應(yīng)力，這相應(yīng)的影響器件的平整度，導(dǎo)致封裝和散熱器之間的溫度接觸變差。為了矯正者一點(diǎn)，一種在室溫下為液態(tài)的連接材料（英達(dá)洛依焊料-51，銦泰公司）被用來(lái)代替散熱膏作為界面材料。圖4金屬陶瓷器件夾緊方案的爆炸圖到了這個(gè)階段，射頻電路被保證能夠被液態(tài)加熱和冷卻。這個(gè)階段的溫度被調(diào)整了，以便于元件的期望的外殼溫度（通常在70℃到90℃之間）能夠在功率測(cè)量期間被采集。當(dāng)測(cè)量電路中的器件是能夠得到保證的，紅外掃描就開(kāi)始了，預(yù)期的射頻信號(hào)和功率就被施加了。一旦這個(gè)器件的期望的殼體溫度到了并且處于穩(wěn)定狀態(tài)，紅外掃描圖像伴和相應(yīng)的電參數(shù)就會(huì)被采集。這個(gè)數(shù)據(jù)被記錄下來(lái)，相應(yīng)的溫度阻抗就可以計(jì)算出來(lái)。溫度阻抗，θJC，計(jì)算在一個(gè)選定的射頻測(cè)試條件下的多芯片射頻功放三極管產(chǎn)品和多級(jí)射頻集成電路的決定結(jié)到外殼熱阻的方法被敘述。對(duì)于一個(gè)在特定射頻測(cè)試條件下的多芯射頻功放產(chǎn)品，結(jié)到外殼的熱阻有單一的報(bào)告值。對(duì)于多級(jí)射頻集成電路產(chǎn)品，每一級(jí)的結(jié)到殼的熱阻（θJC-stage）都會(huì)給出報(bào)告。對(duì)于多芯片射頻功放產(chǎn)品，由紅外掃描測(cè)量到的最高的芯片表面溫度（“熱點(diǎn)”）被用作熱阻計(jì)算里的TJ。產(chǎn)品的總功率耗散計(jì)算公式為：

Pdiss=（RFinputpower+DCpower（ID*VD））—（RFoutputpower+RFreflectedpower）

結(jié)到殼的熱阻計(jì)算公式為：

θJC=(TJ-TC)/Pdiss

對(duì)于一個(gè)多級(jí)射頻集成電路產(chǎn)品，每一級(jí)最高的芯片表面溫度由紅外掃描測(cè)量并在計(jì)算中作為那一級(jí)的熱阻（θJC-stage）。每一級(jí)的功率耗散都由那一級(jí)的熱阻計(jì)算決定和使用。數(shù)據(jù)手冊(cè)θJC值飛思卡爾射頻功放技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)列出的熱阻數(shù)據(jù)報(bào)告基于一個(gè)包含十個(gè)器件的一份樣品，這些樣品源于不同的制造批次。每一個(gè)芯片都加載到預(yù)定的射頻條件然后測(cè)量。那份樣品的平均熱阻值被用到數(shù)據(jù)手冊(cè)里。θJC的置信度使用了量測(cè)系統(tǒng)再生性和再現(xiàn)性評(píng)估以證明測(cè)量中使用的方法和報(bào)告飛思卡爾高功率射頻功放精確的熱阻特性。這份評(píng)估表明測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差以測(cè)量均值百分比表示為5%。總結(jié)熱阻測(cè)量方法已經(jīng)發(fā)展和實(shí)施到精確的描述高功率射頻功放。完整的測(cè)量方法如下：

使用紅外顯微鏡精確確定在射頻測(cè)試條件下的高頻（~2GHZ）芯片溫度（TJ）；使用最大的芯片溫度計(jì)算結(jié)-殼熱阻（θJC）建立測(cè)量的θJC值的置信度水平應(yīng)用這種方法以決定飛思卡爾射頻功放技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的θJC數(shù)據(jù)。這個(gè)溫度測(cè)量方法被應(yīng)用到多芯片射頻功放管產(chǎn)品和多級(jí)功率射頻集成電路產(chǎn)品。附錄：射頻功放紅外熱測(cè)量涂料方法這份附錄描述了金屬-陶瓷和塑封射頻功放的紅外溫度檢測(cè)方法中涂于目標(biāo)物體使輻射系數(shù)值固定的涂抹技巧。我們已經(jīng)評(píng)估了當(dāng)應(yīng)用于無(wú)涂層的紅外半透明物體，例如硅器件，紅外顯微鏡的輻射系數(shù)矯正過(guò)程不起作用[1]。在某些情況下，芯片的非活動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)出更高的溫度區(qū)域，相比于活動(dòng)區(qū)域。當(dāng)在芯片上涂高輻射系數(shù)的涂層后，這個(gè)問(wèn)題立刻得到解決。另外一個(gè)問(wèn)題是未覆蓋涂層的器件相比于覆蓋了涂層的器件來(lái)說(shuō)，在相同的操作環(huán)境下，檢測(cè)到的溫度更低一些。金屬-陶瓷產(chǎn)品測(cè)量中去除和更換保護(hù)層在紅外溫度檢測(cè)中，為了能夠看到芯片，金屬-陶瓷封裝產(chǎn)品的保護(hù)層必須被去除。為了達(dá)到這一點(diǎn)，金屬-陶瓷封裝被放置于加熱板上，加熱板的溫度為~280℃，放置時(shí)間約45s。繼續(xù)放置在加熱板上直到保護(hù)性陶瓷層的環(huán)氧樹(shù)脂密封膠已經(jīng)有效融化，可以被除去。這個(gè)器件被一個(gè)經(jīng)過(guò)改造過(guò)的，具有一個(gè)窗口的蓋子重新覆蓋。這時(shí)這個(gè)器件就可以涂涂層了。塑封產(chǎn)品評(píng)估中去除塑封化合物為了能夠?qū)σ粋€(gè)塑封包裝的產(chǎn)品進(jìn)行熱估計(jì)，包裝中心的塑封的化合物將被腐蝕掉，腐蝕的過(guò)程中不能損傷芯片和連線。選擇應(yīng)用于封裝的涂層基于一份國(guó)內(nèi)的研究，這份研究比較了6個(gè)不同的涂層，對(duì)射頻性能（1GHZ和2GHZ的增益、效率、互調(diào)衰減）具有最小影響的一種被選用。噴涂過(guò)程由噴槍實(shí)施。使用噴槍對(duì)器件噴涂使用噴槍噴涂會(huì)精確甚至覆蓋物進(jìn)入器件。噴槍里用來(lái)噴射的氣壓約20-25磅/平方英寸。在作業(yè)的過(guò)程中噴槍離器件約1/2英寸。一個(gè)新的噴涂應(yīng)用被用于所有器件。為了加快噴涂之間的干燥過(guò)程，關(guān)閉涂料的供應(yīng)僅允許空氣通過(guò)。然后僅僅干燥后的器件被噴涂。噴涂過(guò)程不斷重復(fù)直到活躍的芯片被充分覆蓋。在這個(gè)噴涂過(guò)程中被測(cè)量直到輻射系數(shù)為0.98。然后，然后，0.98這個(gè)固定的輻射系數(shù)值被輸入紅外顯微鏡以進(jìn)行有這種涂層的器件的溫度測(cè)量。1.M.MahalingamandE.Mares,.InfraredTemperatureCharacterizationofHighPowerRFDevices,.ProceedingsofIEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposium,Ma