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大功率GaN器件接地特性与稳定性研究

2022-04-02 高速射频百花潭 阅读:
   大功率GaN 器件已普遍应用于电子工业领域,GaN器件的工艺和技术进步,将输出功率提高到数百瓦甚至数千瓦量级。但是,大功率GaN器件相应的使用规范和标准,如接地要求,在仿真设计和工程应用中一直没有明确,所以本文从650 W GaN 功放器件入手,利用模型进行仿真分析,提出大功率GaN 器件的接地重要性。

    GaN 器件的工艺和技术进步,将输出功率提高到数百瓦甚至数千瓦量级。但是,大功率GaN 器件相应的使用规范和标准,如接地要求,在仿真设计和工程应用中一直没有明确。文章针对大功率GaN 器件的接地特性进行分析,通过仿真和试验验证了超大功率GaN 器件功放电路中,接地条件对电路自身稳定性的重要性。明确了大功率和超大功率GaN 器件的接地阻抗<1 mΩ 使用标准,同时对接地金属接触表面的长期可靠性做出要求。JRxednc

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引言JRxednc

随着半导体工艺技术的进一步发展,无线通信系统越来越趋向于: 大功率、高效率,超宽带、高线性,高效率、高集成度,高频段大功率等技术特点。面对这些技术需求,具有更大禁带宽度、更高击穿电压、更高功率密度、能承受更大功率、相同特征尺寸下比GaAs 器件效率更高的GaN 微波功率器件,自然成为了发射系统中的主要应用和发展方向。此外,由于使用SiC 衬底,GaN 器件因而具有极好的热传导性和耐高温性能,可靠性更好。JRxednc

目前国际上设计和生产GaN 的厂商主要有Cree、MACOM、Qorvo、Sumitomo 以及NXP 等,其推出的GaN 器件功率量级从几瓦到上千瓦,广泛应用于射频通讯领域,并且其工艺水平、功率密度和总功率仍在不断提高。高功率量级的GaN 功率器件应用,既能减小射频链路的重量和体积,又能为通讯和探测系统带来传输距离、功率密度、单元效率等方面的优势。但同时,大功率GaN 器件的应用也对链路的预警保护、机械应力要求、电应力环境和冷却条件提出了更高要求。JRxednc

随着GaN 器件输出功率量级的提升,其最优输出阻抗逐渐降低,以Cree 的CGH40 系列为例,10 W器件到120 W 器件,最优阻抗从15 Ω 减小到3 Ω。500 W 器件的最后阻抗甚至小至1.8 Ω 左右。面对如此低的阻抗值,匹配电路以及接地特性都变得异常困难。此外GJB548B /128A/33A 等标准中对于半导体器件的测试方法均未涉及接地标准的描述,仅能从GJB /Z 25 等电子设备及系统接地要求中看到电子设备及电气装置接地阻抗<50 mΩ 或<10 mΩ的使用要求。JRxednc

    本文首先对大功率GaN 器件应用过程中的接地重要性进行分析,通过电路仿真不同的功率管接地情况,验证了接地阻抗对功放电路的敏感性,尤其是在百瓦和千瓦功率量级的GaN 功放接地电路的设计应用中。使用不同的常用接地条件,GaN 器件功放电路从轻微的功放电路频谱底噪抬升到严重的功放自激现象,均和GaN 器件的接地特性有关。最后对不同的接地条件进行试验验证,针对大功率管GaN 器件的功放电路,要求在输出功率>500 W 的GaN 器件设计过程中,功率管源极壳体和组件单元冷板的接触面电阻要小于1 mΩ,且需要保证在长期暴露环境中表面接触电阻和接地电阻的稳定性。JRxednc

1 GaN 器件大功率模型JRxednc

1.1 GaN 器件大信号寄生参数模型JRxednc

根据文献,GaN HEMT 器件的大信号统计模型如图1 所示。以栅长0.25 μm,栅宽400 μm功放为例,源极寄生电阻Rs≈0.1 Ω,源极寄生电感Ls≈6 pH。对于目前广泛应用的高功率GaN 器件,其栅条特征尺寸最宽0.8 μm,总栅宽达上百mm。随着单指栅宽的增加,总栅长数量级式增长,栅极平面带来的电容效应、寄生电容都明显变大。此外,GaN 器件输出功率的提升对应工作电流和载流子密度的增加。根据电容计算公式,大功率器件的电流和载流子密度增加,等效寄生电容的电荷量提高,寄生参量变大。电感和电阻也都显著增加,寄生接地电阻甚至会达到Ω 量级。JRxednc

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图1 GaN HEMT 大信号等效电路模型

1.2 接地特性和稳定性分析JRxednc

为了验证接地特性对功放电路的影响,采用GaN HEMT 大信号等效电路建立功率管模型。先使用理想接地条件,完成功放电路的匹配设计。完成仿真后,再对接地条件进一步作劣化影响分析。根据上述器件寄生参数分析,这里引入如图2 所示的0.2~5 nH 不良接地电感,0.2 ~ 5 Ω 不良接地电阻,使用控制变量法,分别进行仿真。JRxednc

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图2 接地不良电感和电阻功放原理图JRxednc

这里选用源端单位圆判定中的Mu_Prmie 稳定性因子,来判定GaN 功放电路的稳定性:JRxednc

其中Δ= S11×S22-S21×S12。Mu>1 是2 端口网络无条件稳定的重要条件。JRxednc

仿真结果见图3,可以发现,随着功率管和理想地之间的不良接地电感、电阻值的不断提升,电路稳定性逐步下降,直到小于1 趋于潜在不稳定。图3( a) 中的稳定性因子曲线在低频时处于潜在不稳定,一是因为GaN 功放器件在随频率降低,S 21增大; 二是功放电路工作在匹配电路的频带之外,处于失配状态,S11提升。因此电路处于潜在不稳定状态。JRxednc

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图3 功放仿真结果JRxednc

这里以650 W 功率管为例进行分析,不同GaN器件由于输出功率和寄生参数不同,趋于不稳定所需要的不良接地电阻和接地电感也不同。JRxednc

不良接地电阻和接地电感在功放电路形成地回路的过程中引入了过高的地电压,迫使地电流从低接地阻抗的路径回流。这样会引入额外的干扰和杂散或形成正反馈,使得功放趋于不稳定。JRxednc

潜在不稳定的GaN 功放电路,并不会直接表现出自激现象,但电路本身对应用环境的敏感度增加,在诸如低温、电压纹波增加、电路耦合和干扰增强的情况下,出现底噪抬升或者频谱增生等自激现象。

2 功放电路应用自激情况分析JRxednc

2.1 接地电阻组成JRxednc

由于GaN 器件的大信号模型源极采用单电气节点,仿真过程使用的也是集总电阻和电感模型,但实际GaN 封装器件安装时在整个管壳基底形成如图4 所示的接地面接触,所以要用接触电阻来表示接地电阻的大小。根据定义,接触电阻由收缩电阻、膜电阻、导体电阻三部分构成,GaN 器件接地阻抗就由这三部分电阻构成。收缩电阻是由于接触面的不平坦导致电流通路收缩成很小的线束产生; 膜电阻是接触冷板表面的氧化或镀层界面产生; 导体电阻则是由金属材料自身引入的电阻,由电导率直接决定。JRxednc

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图4 功率管接地电阻组成及实际封装外形

2.2 冷板接触电阻选取JRxednc

从上述GaN 器件的大信号参数模型和650 W电路仿真分析可以知道,接地不良会直接降低功放电路稳定性,使得功放电路出现潜在不稳定的情况。为了进一步明确功放电路实际应用中的接地标准,选取工程设计中常采用的铝金属冷板作为功放电路的接地端。电路设计如图5 所示。JRxednc

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图5 GaN 功放电路结构图JRxednc

在工程应用中,为了提升电路可靠性及环境适用性,需要对铝金属表面进行表面氧化处理。这里选取两种氧化处理方法: 第一种是化学镀镍后镀锡;第二种是刷涂导电氧化液,形成化学转化膜。JRxednc

GaN 功放器件安装在冷板表面后,冷板对GaN器件呈现的总接地电阻属于接触电阻。按照SJ20813《铝和铝合金化学转化膜规范》,在面积为6.45 cm2 的冷板壳体表面,施加1.4 MPa 的压力,测试其接触面电阻。试验中选取刷镀工艺,但导电氧化液在液体表面存留时间不同,形成不同接地阻抗的冷板进行测试,结果如表1 所示。JRxednc

表1 不同工艺冷板的接触阻抗测量结果

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2.3 不同接地电阻的功放电路验证电阻选取JRxednc

对不同接地阻抗的GaN 功放电路,在整个工作带宽间隔20 MHz 分别选取频点,并对功放在高低温工作情况下的特性进行测试验证。使用脉宽100 s,周期1 ms 的脉冲调制信号作为激励,使用FSW26 频谱仪测试功放输出信号脉间情况。结果如表2 所示。JRxednc

表2 不同接地阻抗冷板对功放电路的影响JRxednc

通过对不同GaN 功放电路的常温和高低温情况下输出频谱进行测试,观察到接地电阻超过5 mΩ的刷镀工艺对功放的脉间噪底影响明显,如图6 所示,GaN 功放电路在工作频段会有部分频点脉间杂散噪底抬高,脉间的杂散频点在低温情况下不稳定,发生频点漂移的情况。此外,随着试验进程的延长,更多的功放出现脉间噪底抬高的情况,这都表明在接地电阻>5 mΩ 的工作条件下,大功率GaN 功放电路已经不稳定,面临自激的危险。JRxednc

与之相反,在接地电阻<1 mΩ 的接地条件下,GaN 功放电路常温及高、低温工作时,脉间噪底低且整个通带输出特性表现良好。JRxednc

最后,对使用同样5 mΩ 接地条件的百瓦功率量级功放电路进行简单测试。发现在同样的接地条件下,百瓦功放工作情况良好,未出现噪底抬高或杂散变化的不稳定现象。低功率GaN 器件接地条件未表现出之前的敏感电路现象。JRxednc

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图6 表面电阻测试结果

3 接地情况长期可靠性JRxednc

上述试验过程中还发现,接地阻抗> 5 mΩ 的GaN 功放随着试验的进程出现不稳定现象的数量增多。将5 mΩ、7 mΩ 和10 mΩ 三种接触电阻的刷镀导电氧化金属冷板的标准试样进行70 ℃烘烤,定期测试表面电阻,结果如图7 所示。从实测数据趋势来看,在经历264 小时高温存储后,冷板表面的接触电阻有变大的趋势,变化为原来的2 倍左右。JRxednc

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图7 GaN 功放电路接地电阻长期可靠性试验JRxednc

对刷镀冷板表面接触电阻的增加机理进行分析。主要有两方面原因:JRxednc

a) 膜层脱水电阻增大。未涂漆的化学转化膜在干燥、装配或保养时,如果温度高于60 ℃,会发生脱水现象,降低其防腐蚀性能,导致接触电阻增加; 随着温度和暴露时间的增加,防腐蚀性能相应降低,接触电阻也会相应增加。而大功率的GaN 功放器件高温情况下需要在超过60 ℃的环境工作,接地电阻增加后导致电路由稳定状态转为潜在不稳定状态。JRxednc

b) 膜层自修复电阻增大。化学转化膜中存在的六价铬具有自修复功能,受温度、湿度双重作用,六价铬可以修复膜层的划伤等缺陷,同时也会继续和已有膜层底部的铝进行反应,增加膜层厚度。因此使用一段时间或经受一定环境试验后,膜层的厚度会继续增加,相应接触电阻也会增加,同样导致功放电路趋于不稳定状态。JRxednc

因此,在大功率GaN 功放电路设计中,尽量选取具有长期可靠性的接地电阻<1 mΩ 的金属冷板,确保功放电路的稳定性和长期工作可靠性。JRxednc

4 结论JRxednc

    大功率GaN 器件已普遍应用于电子工业领域,但是针对GaN 器件的使用规范却基本还停留在借鉴和挪用GaAs、LDMOS、Si 等半导体功率管的程度,这是因为半导体行业的快速发展导致的使用和应用规范落后,以及半导体应用经验积累不足所产生的现象。本文从650 W GaN 功放器件入手,利用模型进行仿真分析,提出大功率GaN 器件的接地重要性,并使用不同的接地阻抗冷板,对GaN 功放电路进行试验和测量,通过观察功放脉间噪底及杂散情况,证明接地阻抗<1 mΩ 的使用标准能给GaN 功放带来良好输出特性和稳定性。JRxednc

    最后对功放电路壳体接地电阻长期可靠性进行了试验分析,进一步明确在输出功率>500 W 的GaN器件设计过程中,功率管源极壳体和组件单元冷板的接触面电阻需要满足长期可靠性及稳定性要求。JRxednc

作者:孙引进 顾颖言 蔡晓波 谢宁 蒋拥军
来源:微波学报

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