电热单片微波集成电路设计流程

在电子电路设计中，开始通常假设元器件在室温下工作。单片微波集成电路设计，尤其是，当直流电流流过体积日益缩小的器件时导致热量成两倍，三倍甚至四倍高于室温，就违反了元器件在室温下工作的假设。此种情况下会对设计工作于室温下的元器件相位，增益，效率，噪声和互调失真产生影响。电路设计人员需要将电——热集成在一起的分析工具，以解决这些性能问题。

随着雷达和通信设备功率密度的不断增加，设备的可靠性变成了一个设计问题。基站及固定无线应用的产品生命周期要远远长于终端，因此，现场故障的代价是昂贵的。能够保持超过规定的使用寿命性能的高度可靠的设备是必须的。安装在赤道地区的基站，室外安装的组件需要在85°C的环境下操作。为了确保能够连续的操作，元器件的可靠性平均故障值通常需要超过10⁶个小时。

场效应管失效与节点温度直接相关——由流过场效应管沟道的直流电流产生热源。为了最大限度的提高平均无故障时间，要使相对于环境的峰值节点温度达到最小。单个设备的温度受到与其它设备在芯片上的相对位置的影响。因此，设计者需要有一个可以快速评估一个特定的布局的峰值结点温度的能力。一旦布局好一个器件后，有各种不同的技巧测量温度【参考1】。然而，这并不能在设计阶段提供帮助，并在几何分辨率上有一个限制，使亚微米级别的场效应管的沟道长度的设计极具挑战性。

节点温度可以采用热分析软件确定，并可提供足够的细节以及材料特性[参考2-4]。SYMMIC™ from CapeSym是专门为单片微波集成电路设计者设计的在设计阶段使用的热分析工具，并且此工具与AWR公司的射频/微波设计软件Microwave office™集成在一起。与非集成的热求解器相比，这个集成是基于脚本的并且需要最少的人工干预。Microwave office软件中电路的布局可以轻松的导入到SYMMIC里进行整个单片集成微波电路温度的评估。雷达和通信系统的单片微波集成电路可以被进一步的分析来确定在单个场效应管的子系统设计对峰值节点温度的影响。

什么使得SYMMIC不同

大多数热分析工具是为了一般的用途而设计优化的。这种通用化，使他们难以适用于特殊问题，比如单片微波集成电路的热行为的分析。用户使用通用的热软件包的挑战包括定义详细的单片微波集成电路的结构布局和半导体/介质/导体层的堆栈以及射频/直流工作条件。SYMMIC应用需要一个完全不同的方法来显着的降低一个单片微波集成电路的设计者所面对的复杂性和障碍。

SYMMIC的基于模板的方法，允许用户在电路布局中分别定义工艺技术和热堆栈。不同的设计可以重复使用这些模板。一旦一个砷化镓场效应管被定义成一个模板，例如，仅仅运行Microwave office设计环境里的一个脚本，设计者就可以方便的把射频砷化镓单片微波集成电路的设计转换到热分析。基于模板的热设计免除电气工程师几乎所有的负担，建立可靠的模拟。一般，难以设置的热分析通常是在模板中包含的，因此，一旦为一个设计定义，工程师可以自由地操纵剩余下的设计，以探讨其热性能。了解热边界条件和材料性能的影响可以作为设计过程的一部分，而不仅仅将其做为设计的前期工作。SYMMIC是第一个工具，为单片微波集成电路设计带来了热分析。

SYMMIC也提供快速分析。对于使用多核桌面工作站和64位AXIeM、Microwaveoffice的设计者，SYMMIC可以充分利用硬件配置。下文所述的仿真案例运行在8核16GB的Windows中运行64位XP的PC上。这是极有利于考虑到热条件以及电磁行为方面的场效应管偏置点的选择的迭代设计流程——支持可靠性和电气性能的单片微波集成电路的并行设计。

射频收发器的热分器

为了演示Microwave office和SYMMIC软件的集成，我们用一个使用Microwave office设计的单片集成微波电路高功率放大器标准案例，作为出发点。这个设计是一个使用AWR MeSFet PdK设计的1W X-波段的功率放大器。通过在设计中复制两个场效应管来添加一个低噪声放大器，重新设置它们的偏置点，使它们的漏极电流是功率放大器中场效应管漏极电流的10%左右（图1）。这个低噪放-功率放大器的单芯片的解决方案是用来设计一个集成的收发器的单片微波集成电路。必须对功率放大器到低噪放之间的热耦合进行管理，以实现最小的噪声系数。

图1：AWR软件中高功率放大器和低噪声放大器的MMIC设计。

进行热分析的第一步是在SYMMIC里配置代表三维结构和堆栈的设备模板。从SYMMIC里通用的场效应管模板开始，对参数进行调整，使得产生于AWR的MeSFet组件库设备类似的场效应管。下一步是运行脚本，以确定模块的范围和Microwave office布局中所有场效应管的位置。此信息是格式化的，并且导出成一个文件以输入到SYMMIC。这个文件与场效应管的设备模板定义了整个热模拟的有限元问题。第二个文件输出包含来自于电气模拟的场效应管的耗散功率水平。此文件作为参数输入文件，定义了所有热分析的仿真案例。

因为相对于AWR软件的SYMMIC是一个独立运行的应用程序，在文件从Microwave office中输出后，它可以随时的使用。打开从SYMMIC中输出的版图，将显示用于热分析的低噪放-功率放大器的三维模型（图2）。由于该模型是基于参数化的模板，场效应管的尺寸，层的厚度，材料的属性，和热量分布等参数可以在SYMMIC中修改，来测试各种各样的设计。运行两种不同的低噪放-功率放大器模拟。在第一个模拟中（图3），功率放大器是不工作的，低噪放以标称值50mW运行。在上述基板上的低噪放场效应管的温度大约在8°C。在第二个模拟中，功率放大器和低噪放都工作。功率放大器中的输出级和驱动中的每个场效应管差不多以450mW的耗散功率工作。显然，这是一个非常热的测试条件。在此装置中（图4），输出级场效应管的温度差大约有20°C，底板上最热的场效应管工作温度大约为90°C.底板上的低噪放场效应管尽管现在差不多是13°C-当这些场效应管是唯一的热源时也许相比起来，有一点热，但不如高功率放大器在极限条件下预计的那么热。

图2：SYMMIC中更新/验证每个FET 功率耗散情况的LNA-PA模型及对话框。

图3：PA关闭、LnA额定功率工作时LnA-PA MMIC的SYMMIC仿真结果。

图4：高功率放大器与低噪声放大器MMIC同时运行。

在这个模拟中，功率放大器假设要不断工作在启用/禁用功能。结果是低噪放的沟道温度上升了5°C.其他应用程序除了启用/禁用功能，可能需要功率放大器工作在瞬态模式。SYMMIC也能作为一个瞬态的热解算器，因此可以承受脉冲或其它调制方案的热波动【参考5】。

电-热联合仿真

SYMMIC也可用于循环来评价温度对性能指标的影响，不仅是可靠性和噪声。这种类型的分许，需要一个温度敏感的参数，使晶体管模型热分析可以反馈到电路仿真中。Microwave office中的脚本允许SYMMIC计算温度来更新这种模型的温度参数。这种变化通常会改变电路的电气性能和晶体管的耗散功率水平。不同的耗散功率将产生不同的温度。因此，脚本可用于迭代分析，其中，每一个Microwave office中的电路模拟随着SYMMIC中的热分析而改变来产生一个对连续运行中的温度和电气性能指标的准确的评估。

热阻抗网络

此外，热瞬变可能会引入不希望的记忆效应，这难以评估。对于这种类型的瞬态分析，应同时运行电路和热模拟【参考6和7】。这由集成了新一代阻抗网络的Microwaveoffice/SYMMIC来实现的。

由于耗散功率导致的节点温度升高，往往表现为°C/W的热阻。晶体管模型包括一个热电阻参数，允许考虑到自热效应的电气仿真。对于一个单一的器件，这个值可以简单的通过用耗散功率除峰值温度的热分析来确定。然而对于瞬态分析，晶体管模型需要热阻和热容，鉴于在微波单片集成电路中有一个以上的热时间常数，后者更难估计。有晶体管阵列的单片微波集成电路的情况要更加复杂，因为不仅需要考虑自热效应，而且，还需要考虑临近器件之间的热耦合效应。

因此，SYMMIC通过自动的求解一个在特定操作条件下的整个单片微波集成电路热模型的热阻抗网络，提供了一个独特的解决方案。SYMMIC输出的热阻抗作为一个网表电路描述返回到Microwave office环境中。这种热网络可以连接到晶体管的热端口，获得一个瞬态的模拟。

结论

集成电-热协同设计流程的优点有两个方面：
• 快速的设计转换，因此单片微波集成电路的设计人员不需要依赖别人来运行仿真。
• 更快的电-热模拟，进行设计优化，例如有着特定应用的最紧凑的有源设计。

通过SYMMIC与AWR设计环境的热分析软件的基于脚本的结合，实际的热模拟作为射频/微波设计流程的一个不可分割的组成部分而不是一个机械的工程软件，对于单片微波集成电路的设计者来说，成为了一个现实。SYMMIC的基于模板的方法，并且纯粹的仿真速度与集成到Microwave office中的脚本相结合，使得更精确的器件模拟电路设计是可能的。不必再采用一个更详细的电磁仿真，可靠性和电气性能在仿真中可同时考虑。因此，软件将持续升温。单片微波集成电路的设计者将准备好使用AWR Connected for SYMMIC。

参考文献
1. D. L. Blackburn, “Temperature measurements of semiconductor devices - a review,” 20th Annual IEEE Semi-Therm Symp., Mar 9-11, 2004, pp. 70-80
2. J. Wright, B.W. Marks, K. D. Decker, “Modeling of MMIC devices for determining MMIC channel temperatures during life tests,” in 7th IEEE Semiconductor Thermal Measurement, Modeling, and Management Symp., 1991, pp. 131–139.
3. D. S. Green, B. Vembu, D. Hepper, S. R. Gibb, D. Jin, R. Vetury, J. B. Shealy, L. T. Beechem, S. Graham, “GaN HEMT thermal behavior and implications for reliability testing and analysis,” Phys. Stat. Sol. C 5(6):2026-2029, 2008.
4. A. P. Fattorini, J. Tarazi, S. J. Mahon, “Channel Temperature Estimation in GaAs FET Devices,” IEEE MTT -S Intl. Microwave Symp., May 23-28, 2010, pp. 320-323.
5. J. C. Fiala, M. R. Overholt, S. Motakef, D. Carlson, “Thermal considerations in low cost T/R module design,” 35th GOMACTech Conf., Mar 22-25, 2010, Reno, NV.
6. S. R. Nedeljkovic, J. R. McMacken, P. J. Partyka, J. M. Gering, “A Custom III-V Heterojunction Bipolar Transistor Model,” Microwave Journal. Vol. 52, No. 4, April 2009, p. 60.
7. D. Denis, C. M. Snowden, I. C. Hunter, “Coupled Electrothermal, Electromagnetic, and Physical Modeling of Microwave Power FET s,” IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, Vol. 54, No. 6, June 2006, pp. 2465-2470.