功率放大器可靠性的新標準-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯功率放大器可靠性的新標準-新品速遞功率放大器可靠性的新標準

近年來，功率放大器制造商一直在努力解決產(chǎn)品可靠性的問題，他們所取得的成果也各有不同。2022年，廠商開始將功率控制功能與功率放大器整合在一起，這種做法使得生產(chǎn)良率大幅改善。新技術(shù)的出現(xiàn)通常會以五年為周期，因此現(xiàn)在應(yīng)該是出現(xiàn)另一波創(chuàng)新高潮的時刻。移動電話對于散熱要求日益嚴格，這是因為信號傳輸過程的負載周期很大，廠商還可能將多只天線整合到手機內(nèi)。產(chǎn)業(yè)趨勢的改變迫使廠商必須確保功率放大器不會受到溫度過高的影響。

功率放大器的可靠性需要進一步改善。傳統(tǒng)的可靠性評估方式主要依賴有限的熱模型以及平均故障時間(MTTF)等統(tǒng)計資料，它們通常會以特定溫度下的平均故障時間來代表產(chǎn)品的可靠性，這種做法其實并不適當，因為并不知道實際操作時的接合溫度。為了確保功率放大器的長期操作可靠性，設(shè)計人員必須進一步提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

業(yè)界多半利用廣為接受的統(tǒng)計方法來預(yù)測功率放大器的可靠性。不幸的是，制造商在評估時所依據(jù)的參數(shù)卻可能有所不同，例如有些制造商只引用活化能(activationenergy)，有些則使用平均故障時間。然而可靠性是一種多面向的問題，不能只由某種屬性來代表——想要了解產(chǎn)品可靠性，就必須了解可靠性的計算方式。Arrhenius方程式是組件可靠性的基本計算公式：

其中：t1=溫度T1的平均故障時間t2=溫度T2的平均故障時間Ea=活化能(制程特性)T1=計算t1時的溫度(開氏溫度)T2=計算t2時的溫度(開氏溫度)方程式(1)會根據(jù)已知的平均故障時間(t1)、故障活化能(Ea)和故障溫度(T1)來計算溫度為T2時的平均故障時間(t2)。活化能是讓半導體組件出現(xiàn)特定故障現(xiàn)象的所需能量，方程式(1)經(jīng)過整理后可得到方程式(2)，它以平均故障時間(MTTF)來代表產(chǎn)品壽命。

將方程式(2)繪制成溫度關(guān)系圖即可看出可靠性與溫度之間的關(guān)聯(lián)性。圖1是兩種不同制程的平均故障時間，它們在125℃時的平均故障時間相同，區(qū)別是活化能，其中一種制程的活化能為1.0eV(電子伏特)，另一種制程的活化能則為1.8eV。從圖1可清楚的看出，可靠性與組件操作溫度的關(guān)系非常密切，例如活化能較高的制程雖在溫度低于125℃時有較長的壽命，但當操作溫度達到150℃時，低活化能制程的操作壽命就會比高活化能制程的壽命多出30億小時。圖1曲線的斜率代表該制程的活化能，因此曲線相對于溫度的斜率越大，就表示其故障率隨著溫度增加的越快。

有些工程師以活化能代表制程的品質(zhì)，還有些工程師會直接引用特定溫度下的平均故障時間。從前述分析可清楚看出這兩種觀點都是過度簡化的可靠性表達方式：在判斷活化能之前必須先考慮組件的操作溫度；同樣，在引用平均故障時間時，也必須引用惡劣操作溫度下的平均故障時間。這表示在評估可靠性時，必須同時考慮組件的操作溫度以及制程固有的故障率。功率放大器的接合溫度會受哪些因素影響

類似于歐姆定律的熱模型，是常用的峰值接合溫度分析法，它會以電流源(單位為瓦特)代表任何熱源，同時為所有材料指定熱阻抗(單位為℃/W)，這些材料還能儲存熱量，它們稱為熱容量(J/℃)，并以電容來代表。

圖2是功率放大器的單晶粒封裝模型。在執(zhí)行靜態(tài)分析時，應(yīng)將電容忽略，此時接合溫度就如同方程式(3)所示，相當于環(huán)境溫度Ta加上功耗與系統(tǒng)熱阻抗的乘積。動態(tài)分析則必須將熱容量一并列入考慮。

將組件的參數(shù)代入方程式(3)即可求出接合溫度，例如無線網(wǎng)絡(luò)功率放大器RF3220的參數(shù)值為：Rth=76℃/W；P_diss=0.997W；Ta=85℃，將其代入方程式即可得到接合溫度為160.8℃。如前所述，接合溫度會受到功耗的影響，只要偏壓電流、輸出功率或效率改變，功耗就會跟著改變，使得接合溫度出現(xiàn)變化。上述分析適用于封裝導熱性良好并在250mW輸出功率下操作的功率放大器。由于無線網(wǎng)絡(luò)輸出功率較小，設(shè)計人員很容易將溫度控制在適當范圍內(nèi)，使產(chǎn)品擁有更長壽命。

前述計算都假設(shè)負載為50，圖3則是功率放大器在惡劣條件下工作的例子，它假設(shè)天線阻抗不匹配(負載不等于50)并導致部分功率反射回功率放大器。阻抗不匹配的情形若很嚴重，從天線輻射出去的功率就會變得很少。由于物理定律要求能量守恒，反射回功率放大器的能量終會以熱量的形式散逸；反之，功率放大器若因這些反射功率而溫度升高，就表示電話真正送出的功率并不多。必須注意的是在這些條件下，電話可能會因為發(fā)射功率不足發(fā)生斷線現(xiàn)象。

組件溫度究竟會受到阻抗不匹配的多大影響，主要是由其所采用的制程技術(shù)決定。硅芯片等熱導體的熱阻抗很小，因此散熱效率極高；GaAs等熱絕緣體的導熱性很差，故其溫度在阻抗不匹配情形下通常會變得較高。要充份體會散熱管理的重要性，就應(yīng)考慮GSM功率放大器在惡劣條件下的操作，這有助于了解溫度升高對于組件可靠性的沖擊。下面的例子代表惡劣的操作條件，設(shè)計人員在分析時應(yīng)將其列入考慮：（1）GSM功率放大器的傳送功率為34.5dBm(功耗)；

（2）工作效率50%(電源電壓很高時，實際效率還可能更低)；

（3）層壓封裝(laminatepackage，熱阻抗值)；

（4）10:1輸出阻抗不匹配(惡劣條件下的負載阻抗)；

（5）50%負載周期(GPRSclass12)；

（6）環(huán)境溫度85℃。

業(yè)界領(lǐng)導廠商從1999年起就了解到層壓基板的問題很多，因此根據(jù)層壓封裝的熱阻抗進行計算能顯示組件在惡劣條件下的操作情形，但由于功率放大器制造商并未公布層壓封裝的熱阻抗值，因此下面將以導線架封裝的相關(guān)參數(shù)進行計算。我們將使用RF3220的參數(shù)數(shù)據(jù)，因為它是采用導線架封裝的異質(zhì)接合雙極晶體管(heterojunctionbipolartransistor)。

利用方程式(2)和(3)可計算出理想條件下的平均故障時間約為8105年，典型操作條件下則為1.9103年，惡劣條件下的平均故障時間則減少至僅約1年；若以層壓封裝的熱阻抗和動態(tài)熱模型進行計算，那么平均故障時間還會進一步縮短。值得注意的是平均故障時間僅代表組件從開始到發(fā)生故障的平均時間，要了解惡劣條件下的故障會于何時出現(xiàn)，必須考慮這項統(tǒng)計資料的分布情形。標準品質(zhì)程序規(guī)定制程能力(Cpk)為1.5，這相當于4.5個標準差。對于所討論的制程，其平均故障時間的標準差在對數(shù)坐標上為0.6。由于必須在對數(shù)坐標減掉4.5個標準差，而對數(shù)坐標的減法又相當于線性坐標的除法，因此前述的所有平均故障時間都要除以4.5100.6，這表示惡劣條件下的故障時間實際上比平均故障時間還要減少17.92倍。這些結(jié)果顯示若將惡劣條件以及制程所導致的壽命時間分布列入考慮，功率放大器的實際壽命可能從原來的幾千年縮短到少于一個月。

到目前為止，對于熱模型的討論都沒有考慮功率放大器的實際應(yīng)用環(huán)境。在真實世界里，功率放大器會安裝到電路板上，該電路板則會被熱阻抗很高的封裝材料包起來，功率放大器四周還會有許多不同的熱源。要分析移動電話內(nèi)的功率放大器接合溫度，必須建立圖4所示的模型，其中每顆組件都必須由一個會散發(fā)熱量的功率源代表。

從圖4很容易看出移動電話的熱模型非常復(fù)雜，幾乎不可能以人工方式進行計算，需要三度空間熱仿真軟件才能預(yù)測接合溫度的值；換言之，要預(yù)測功率放大器在手機內(nèi)的壽命時間幾乎是不可能的任務(wù)。

如果功率放大器設(shè)計采用GaAs等熱阻抗較高的制程技術(shù)，那么仿真結(jié)果的度還會變得更糟，這是因為GaAs的熱阻抗可達到硅芯片三倍。除此之外，GaAs的熱阻抗還會隨著溫度而改變，接合溫度升高，熱阻抗也會變大，如果設(shè)計人員使用的熱模型是從理想環(huán)境推導出來，那么它就可能出現(xiàn)極大誤差。根據(jù)其他深入分析的結(jié)果，許多組件因素都會增加這類模型的復(fù)雜性，這些因素包括：（1）射極指狀結(jié)構(gòu)(emitterfinger)的間距會對熱耦合造成重大影響；

（2）GaAs異質(zhì)接合雙極晶體管的自熱特性；

（3）偏壓電流可能導致組件的某個部份溫度特別高；

（4）偏壓電流的變動；

（5）較長的射極指狀結(jié)構(gòu)會使得整個組件出現(xiàn)較大的熱梯度，同時讓射極指狀結(jié)構(gòu)的某些部份出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象；

（6）需要非對稱組件結(jié)構(gòu)才能維持均勻的溫度分布。功率放大器仍是手機故障率的零件，其原因從熱模型的復(fù)雜性和它對于溫度的極端敏感性即可看出。因此，改善功率放大器的可靠性變得非常重要。目前有兩種方法能夠解決這個問題，種方法是建立更復(fù)雜的模型，利用它來預(yù)測惡劣條件下的接合溫度。然而建模并不能解決問題，它只能預(yù)測故障何時發(fā)生。第二種方法則是以特別方法設(shè)計功率放大器，使其溫度永遠不會升高到危險地步，這種做法應(yīng)成為新一代功率放大器的可靠性標準。

過熱保護電路是解決這個問題的簡單方法，設(shè)計人員可將溫度傳感器放在晶粒旁邊，由它來偵測接合的溫度。溫度傳感器的設(shè)計有許多方式，圖5即是一例：通過晶體管的電流會因為溫度改變而出現(xiàn)某些變化，這個變化電流會在電阻上形成電壓變動，對數(shù)放大器會感測這個變動電壓，然后產(chǎn)生正比于溫度的輸出值，再由比較電路提供誤差值輸出。當溫度超過默認值時，誤差輸出就會改變狀態(tài)，代表此時應(yīng)將功率放大器關(guān)掉。這個電路的輸出可用來驅(qū)動某種禁能電路，由它來限制接合的溫度。

此電路確保功率放大器永遠不會進入可能導致組件壽命大幅縮短的危險操作區(qū)，這樣就能免除復(fù)雜困難的建模需求，并協(xié)助降低功率放大器的瑕疵率。多數(shù)功率放大器模塊都包含許多芯片，故讓功率放大器內(nèi)建保護電路以確保產(chǎn)品可靠性的做法也應(yīng)成為業(yè)界標準。

溫度傳感器的位置需視制程技術(shù)而定，若組件采用硅芯片等熱阻抗很小的制程技術(shù)，傳感器的位置就變得不重要，因為硅芯片可將熱量均勻散開。但若組件采用GaAs之類熱阻抗很高的制程技術(shù)，溫度傳感器的位置就應(yīng)盡量靠近晶粒熱的部份。

功率放大器若未包含過熱保護電路，則為其建立模型時就要非常小心。如前所述，許多因素都必須納入模型才能得到的結(jié)果，某些制程的平均故障時間估計值也可能出現(xiàn)不一致的情形。

盡管科技發(fā)展已有長足進步，我們?nèi)皂毸伎既绾卫^續(xù)改善功率放大器品質(zhì)。移動電話整合的功能越來越多，因此在加強射頻單元時，其成果必須能讓工程師把更多資源用于新增功能，而非局限在射頻電路。要達成這個目標，可能的做法包括：

（1）確保組件資料表的全部規(guī)格都適用于所有操作條件(溫度、電壓等)。

（2）改善功率放大器的額定濕度敏感性(moisturesensitivity)。

（3）增加電壓過載保護電路，以便在阻抗不匹配時保護功率放大器。