射频功率放大器的热测量方法

简介

这篇文章阐述了一种被飞思卡尔使用的高功率射频功放的热测量方法。半导体器件的可靠性和器件的使用温度有很大的关系，因此，建立使用了高功率器件的系统的可靠性模型，这些高功率器件的精确的温度特性非常关键。

芯片表面温度测量

在放大器操作的过程中，红外显微被用于探测芯片表面温度。因为红外温度测量方法需要直接看到芯片，芯片的陶瓷保护层就被去掉了取而代之的是一个改造后的保护层，这个保护层有个窗口以便于看到芯片。遇到塑料封装的情况，塑封的中间部分被腐蚀掉，直到芯片表面被有效的露出来。因为芯片和散热器之间的热流动取决于热传递，由因为去掉芯片表面的保护层或混合物塑封带来的测量误差可以忽略不计。暴露的芯片被包裹了一层高辐射系数的涂层（见附录）以获得固定的辐射系数，以进行红外热测量。这个涂层大大提高了红外测量的精确度，因为它使红外显微镜的辐射系数校准过程变得没有必要。这种被红外显微镜制造商推荐的辐射系数校准过程在补偿硅的半透明特性带来的误差方面是无效的[1]。在红外显微过程中，测量场中的最高芯片表面温度（“热点”）可以被定位。热点温度被作为芯片温度（TJ），用于热阻抗方面。热阻抗的计算方法后面有描述。

外壳温度（TC）测量

封装的外壳温度（TC）由一个直径0.020英寸的不锈钢外壳的热电偶（型号J；欧米茄号：JMQSS-020G-12）测量，这个热电偶安装在射频电路的散热器里。它被安装在底部，延伸过封装面，接触到封装的下表面（如图1）。散热器上有一个直径0.032的孔，贯穿散热器，以容纳热电偶的包装。这个小孔对界面的完整性和热流路径的干扰最小。选择的热电偶不仅具有良好的热敏性，同时具有优良的可靠性。热电偶上有弹簧装置以保证和封装底面恒定的机械接触。热电偶的中心位置与封装里的最活跃的晶体管的中心的位置有关。

图1 壳体温度测量

图2 热电偶的位置

图3 散热器温度测量

散热器温度（TH）测量

在电路的散热器中的直接位于大功率射频器件贴装位置下方的散热器温度（TH）必须在特定的环境下测量。在这种情况下，用来按照热电偶的直径0.032英寸的孔钻到离电路所在的散热器的那一面0.010英寸的地方。这种散热器温度测量方法在以下情况下特别有用：

• 大功率射频器件被焊接在有弹簧的热电偶不能被使用的地方；
• 用包括了各种界面材料的热电阻测量，例如热油脂或者热垫片，以决定热阻抗层叠的表现。

热测量的顺序

在把每个金属-陶瓷铆接元件安装到射频检测夹具之前，应该用一个辊子涂一层散热膏（道康宁340散热复合材料）到法兰盘的底面。一个杜邦聚甲奎树脂夹被用来施加向下的力，这些力被施加在两耳上和引脚上，如图4所示。这个把元件锁紧在散热器上的夹子使用了两个#4-40不锈钢组合螺钉，每个都使用5磅-英寸的力矩拧紧。
对于铆接的塑封器件，除去器件中部的封装化合物会抵消一部分器件的机械应力，这相应的影响器件的平整度，导致封装和散热器之间的温度接触变差。为了矫正者一点，一种在室温下为液态的连接材料（英达洛依焊料-51，铟泰公司）被用来代替散热膏作为界面材料。

图4 金属陶瓷器件夹紧方案的爆炸图

到了这个阶段，射频电路被保证能够被液态加热和冷却。这个阶段的温度被调整了，以便于元件的期望的外壳温度（通常在70℃到90℃之间）能够在功率测量期间被采集。当测量电路中的器件是能够得到保证的，红外扫描就开始了，预期的射频信号和功率就被施加了。一旦这个器件的期望的壳体温度到了并且处于稳定状态，红外扫描图像伴和相应的电参数就会被采集。这个数据被记录下来，相应的温度阻抗就可以计算出来。

温度阻抗，θJC，计算

在一个选定的射频测试条件下的多芯片射频功放三极管产品和多级射频集成电路的决定结到外壳热阻的方法被叙述。对于一个在特定射频测试条件下的多芯射频功放产品，结到外壳的热阻有单一的报告值。对于多级射频集成电路产品，每一级的结到壳的热阻（θJC-stage）都会给出报告。

对于多芯片射频功放产品，由红外扫描测量到的最高的芯片表面温度（“热点”）被用作热阻计算里的TJ。产品的总功率耗散计算公式为：
Pdiss=（RF input power + DC power（ID*VD））—（RF output power + RF reflected power）
结到壳的热阻计算公式为：
θJC = (TJ - TC) / Pdiss
对于一个多级射频集成电路产品，每一级最高的芯片表面温度由红外扫描测量并在计算中作为那一级的热阻（θJC-stage）。每一级的功率耗散都由那一级的热阻计算决定和使用。

数据手册θJC值

飞思卡尔射频功放技术数据手册列出的热阻数据报告基于一个包含十个器件的一份样品，这些样品源于不同的制造批次。每一个芯片都加载到预定的射频条件然后测量。那份样品的平均热阻值被用到数据手册里。

θJC的置信度

使用了量测系统再生性和再现性评估以证明测量中使用的方法和报告飞思卡尔高功率射频功放精确的热阻特性。这份评估表明测量的标准偏差以测量均值百分比表示为5%。

总结

热阻测量方法已经发展和实施到精确的描述高功率射频功放。完整的测量方法如下：

•  使用红外显微镜精确确定在射频测试条件下的高频（~2GHZ）芯片温度（TJ）；
• 使用最大的芯片温度计算结-壳热阻（θJC）
• 建立测量的θJC值的置信度水平
• 应用这种方法以决定飞思卡尔射频功放技术数据手册中的θJC数据。

这个温度测量方法被应用到多芯片射频功放管产品和多级功率射频集成电路产品。

附录：射频功放红外热测量涂料方法

这份附录描述了金属-陶瓷和塑封射频功放的红外温度检测方法中涂于目标物体使辐射系数值固定的涂抹技巧。我们已经评估了当应用于无涂层的红外半透明物体，例如硅器件，红外显微镜的辐射系数矫正过程不起作用[1]。在某些情况下，芯片的非活动区域呈现出更高的温度区域，相比于活动区域。当在芯片上涂高辐射系数的涂层后，这个问题立刻得到解决。另外一个问题是未覆盖涂层的器件相比于覆盖了涂层的器件来说，在相同的操作环境下，检测到的温度更低一些。

金属-陶瓷产品测量中去除和更换保护层

在红外温度检测中，为了能够看到芯片，金属-陶瓷封装产品的保护层必须被去除。为了达到这一点，金属-陶瓷封装被放置于加热板上，加热板的温度为~280℃，放置时间约45s。继续放置在加热板上直到保护性陶瓷层的环氧树脂密封胶已经有效融化，可以被除去。这个器件被一个经过改造过的，具有一个窗口的盖子重新覆盖。这时这个器件就可以涂涂层了。

塑封产品评估中去除塑封化合物

为了能够对一个塑封包装的产品进行热估计，包装中心的塑封的化合物将被腐蚀掉，腐蚀的过程中不能损伤芯片和连线。

选择应用于封装的涂层

基于一份国内的研究，这份研究比较了6个不同的涂层，对射频性能（1GHZ和2GHZ的增益、效率、互调衰减）具有最小影响的一种被选用。喷涂过程由喷枪实施。

使用喷枪对器件喷涂

使用喷枪喷涂会精确甚至覆盖物进入器件。喷枪里用来喷射的气压约20-25磅/平方英寸。在作业的过程中喷枪离器件约1/2英寸。一个新的喷涂应用被用于所有器件。为了加快喷涂之间的干燥过程，关闭涂料的供应仅允许空气通过。然后仅仅干燥后的器件被喷涂。喷涂过程不断重复直到活跃的芯片被充分覆盖。在这个喷涂过程中被测量直到辐射系数为0.98。然后，然后，0.98这个固定的辐射系数值被输入红外显微镜以进行有这种涂层的器件的温度测量。

参考文献

1. M. Mahalingam and E. Mares, .Infrared Temperature Characterization of High Power RF Devices,. Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, May 2001.
2. Mahalingam and E. Mares, .Infrared Temperature Characterization of High Power RF Devices,. Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, May 2001.