Термический анализ для мощных MMIC, MCM и RF PCB приложений

 ВЧ/СВЧ усилители мощности (УМ) рассеивают мощность, что приводит к повышению рабочей температуры, которая может распространяться от одного каскада ИС по всей высокоинтегрированной ВЧ системе. Более высокие температуры ухудшают как непосредственные, так и долгосрочные характеристики радиочастотной электроники.

Высокие температуры напрямую связаны с сокращением срока службы устройства или среднего времени наработки на отказ (MTTF) для металло-полупроводниковых полевых транзисторов (MESFET), псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT) и биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT) в монолитных микроволновых ИС (MMIC) на основе арсенида галлия/нитрида галлия (GaAs/GaN). Надежность и среднее время безотказной работы особенно важны для суровых условий и приложений, которые трудно обслуживать, таких как удаленные базовые станции и спутниковая связь.

Разработчикам радиочастотных устройств необходимо учитывать процессы регулирования теплового режима за пределами усилителей мощности, чтобы прогнозировать нагрев корпуса, печатной платы и окружающей электроники. Важно определить температуру канала при работе устройства с большим сигналом, рассеиваемой мощности, геометрии устройства и теплоотводящих свойств устройства и окружающей среды.

По этой причине группы разработчиков PA все чаще полагаются на группу инженеров-механиков или специалистов по термическому анализу для исследования рабочих температур посредством теплового моделирования или измерений. Однако это может привести к задержкам в общем цикле проектирования.

Внедряя тепловое моделирование в процесс проектирования радиочастотных/микроволновых цепей, инженерные группы могут значительно сократить время выполнения работ, получая информацию о температуре, которая влияет на производительность на этапе проектирования. В этой статье описывается рабочий процесс моделирования, который поддерживает тепловой анализ непосредственно в рамках проектирования ВЧ.

Современные тепловые вызовы

Практически каждое современное переносимое электронное изделие для подключения устройств использует беспроводную связь и датчики. Таким образом, беспроводная связь требует, чтобы радиочастотный модуль был неотъемлемой частью системы, причем он должен сосуществовать с высокоскоростными цифровыми и аналоговыми сигналами в едином корпусе микросхем или плат.

В связи с тенденцией к уменьшению занимаемой площади при интеграции большего количества электроники важность электромагнитного (ЭМ) и теплового анализа в момент проектирования стала критически важной для эффективной и успешной разработки системы.

Инженеры по радиочастотным устройствам и, в частности, разработчики усилителей мощности обеспокоены нагревом устройства и рабочей температурой из-за влияния на надежность и производительность устройства. Электрическую мощность, которую усилители не преобразуют в ВЧ-энергию, преобразуется в тепло, а электротермические эффекты влияют на ВЧ-характеристики с преобладающим эффектом сток-запаздывание, зависящим как от смещения напряжения, так и от температуры канала. Температура канала устройства является основным источником механизмов термической деградации, что приводит к сокращению срока службы устройства (рис. 1) .

Рис. 1. Характеристики GaN HEMT с самонагревом и без него справа (изображение представлено Cree) и MTTF устройства GaN в сравнении с нагревом с теплопроводностью (TCH) слева (изображение предоставлено Qorvo)

Транзисторы GaN обеспечивают более высокую плотность выходной мощности, более широкую полосу пропускания и улучшенную эффективность формирования радиочастотного сигнала, чем их аналоги GaAs. Однако, чтобы воспользоваться этой улучшенной производительностью, разработчикам необходимо точно прогнозировать сложное поведение устройства во время моделирования схемы, включая тепловые эффекты, создаваемые самим устройством GaN. Среди эффектов захвата, связанных с температурой канала в алюминиевых GaN HEMT, можно назвать частотную дисперсию крутизны, переходные процессы с задержкой затвора и стока и ограниченную выходную микроволновую мощность.

Кроме того, как и во всех полупроводниковых устройствах, надежность кремниево-карбидных (SiC) MESFET и GaN HEMT напрямую зависит от максимальной рабочей температуры канала. Поэтому важно с высокой степенью достоверности определить, какова максимальная температура канала при определенных режимах работы, особенно для продуктов, работающих в условиях непрерывного излучения (CW) и рассеивающих большое количество тепловой энергии. При проектировании усилителей очень важно, чтобы транзисторы работали при температуре ниже номинальной рабочей температуры перехода или канала, чтобы гарантировать желаемую надежность усилителя.

Сколько тепла может генерировать типичный мощный GaN-усилитель, который можно найти на базовой станции? Например, GaN HEMT с периметром затвора 28,8 мм, работающий при напряжении стока 28 В, обеспечивает мощность непрерывного излучения 120 Вт. При эффективности преобразования постоянного тока в радиочастоту 60% рассеиваемое тепло будет составлять 80 Вт, что соответствует плотности тепла более 20 кВт на квадратный дюйм.

Тепло будет рассеиваться от канала устройства к корпусу и печатной плате через конструктивные элементы корпуса транзистора, такие, как проволочные соединения, заземляющие переходные отверстия, а также сами полупроводники и материалы корпуса. Разработчики должны убедиться, что устройство работает при температуре ниже номинальной рабочей температуры перехода. Таким образом, они заинтересованы в том, чтобы узнать это значение и по возможности снизить его с помощью таких структур, как проволочные соединения, заземляющие переходные отверстия и стратегии теплоотвода, которые можно оптимизировать с помощью анализа.

Термический анализ для радиочастотных приложений

 Тепловые карты иллюстрируют нагретые области, создаваемые устройствами, и тепловые проблемы, создаваемые плотно упакованной электроникой. Производительность ИС может ухудшиться из-за повышения температуры. В корпусах/печатных платах тепловые проблемы возникают из-за джоулевого нагрева, что влияет на падение ИК-излучения и производительность. В более широком системном контексте нам необходимо определить горячие точки и обеспечить стратегию охлаждения.

Для изучения распределения температуры, возникающей в результате рассеивания мощности, инструменты теплового анализа можно комбинировать с инструментами моделирования нелинейных ВЧ-цепей, чтобы получить необходимую информацию о рассеиваемой мощности. В сочетании симулятор радиочастотных цепей и программное обеспечение для теплового анализа предоставляют важную информацию о рабочей температуре как для проектирования, так и для выхода из эксплуатации.

Простая сеть тепловых сопротивлений, показанная на рис. 2, наложенная на поперечное сечение кристалла в корпусе, помогает проиллюстрировать тепловой поток в четырехплоском корпусе без выводов (QFN). PA MMIC встроен в корпус QFN, который находится на поверхности печатной платы.

Рис. 2. Показан простой массив термосопротивлений, наложенный на поперечное сечение кристалла в корпусе

В тепловом контуре имеется источник тепла мощностью (Q), перетекающей от спая на дно корпуса, а затем во внешнюю среду (температура окружающей среды). Часть тепла будет перетекать от места соединения к корпусу и распространяться на плату, а затем выходить по воздуху или по какому-либо другому проводящему пути.

Тепловая версия закона Ома, показанная в нижней части диаграммы, используется для расчета температуры канала PA MMIC, которая равна произведению рассеиваемой мощности на тепловое сопротивление плюс температура корпуса, которая может быть получена из результатов тепловой модели. Возможно получить гораздо более строгий и точный прогноз температуры с помощью трехмерного моделирования устройств, при этом свойства проводимости материала и смоделированное рассеивание мощности получаются из моделирования схемы нелинейного баланса гармоник (HB).

Интегрированный рабочий процесс термического анализа

Разработчики ВЧ-систем, использующие программное обеспечение, которое предлагает несколько интегрированных инструментов, могут получать рабочие температуры и тепловые карты своих ВЧ-устройств, корпусов и систем печатных плат с прямым доступом к вычислителю тепловых нагрузок через симулятор схем. Инструменты выполняют свое схематическое моделирование, производят рассеивание мощности, а затем автоматически создают тепловую модель и симуляцию тепловых процессов.

Например, Celsius Thermal Solver от Cadence предлагает анализ конечных элементов (FEA) для точного определения рабочей температуры с использованием адаптивного алгоритма построения температурной сетки. Алгоритм работает с рабочей средой Celsius Thermal Solver, чтобы проиллюстрировать тепловое распределение и автоматически вычислить рабочую температуру для всех определенных источников тепла на платформе AWR Design Environment.

Термический анализ может применяться непосредственно во время моделирования с целью повышения точности, включая тепловые эффекты, что позволяет обнаруживать проблемы на ранней стадии. Кроме того, механические данные автоматизированного проектирования (MCAD) и данные о рассеиваемой мощности могут быть переданы параллельно инженеру-механику/теплотехнику для окончательного согласования, если это необходимо.

Пример MMIC PA

Данный пример демонстрирует, как интеграция теплового вычислителя Cadence Celsius в программном обеспечении для проектирования цепей Microwave Office позволяет выполнять тепловой анализ мощного MMIC PA X-диапазона в корпусе QFN на печатной плате. Первоначально проект моделируется в программе расчета APLAC HB, после чего информация о мощности от всех устройств в проекте отправляется в программу расчета тепловых параметров Celsius. Там чип моделируется внутри корпуса QFN на печатной плате, чтобы увидеть, как мощность распределяется между различными конструктивными элементами микросхемы.

После завершения моделирования можно просмотреть полную трехмерную структуру (рис. 3). Мощность на плате можно увидеть в левом верхнем углу, а источники тепла, распределенные по разным силовым транзисторам MMIC, в правом верхнем углу. Отключив визуализацию любого из слоев, можно просматривать отдельные слои. Также, возможно отключить видимость структуры корпуса и платы, чтобы проверить температуру поверхности металлизации кристалла, представленной тепловой картой (внизу слева), а также с видимыми соединительными проводами (внизу справа).

Рис. 3. На этих изображениях представлены различные виды тепловых карт полной трехмерной структуры

Шкала распределения температуры динамически изменяется по мере того, как структуры становятся видимыми или удаляются. Настройка разреза структуры может быть выбрана с целью поиска локализованных горячих точек в направлениях x, y и z (рис. 4).

Рис. 4. Используя настройку разреза структуры можно получить поперечное сечение для поиска локализованных горячих точек в направлениях x, y и z

Результаты моделирования показывают температуры источников тепла отдельных элементов полевого транзистора (FET), которые передаются обратно в симулятор схемы. В этом примере средняя температура на каждом элементе затвора составляет 92,6 °C при смоделированной рассеиваемой мощности 2,9 Вт.

Источник: www.mwrf.com