GaN 功率器件是雷達(dá) T/ R 組件或發(fā)射功放組件中的核心元器件,隨著器件的輸出功率和功率密度越 來越高,器件的長(zhǎng)期可靠性成為瓶頸。 文章對(duì)雷達(dá)脈沖工作條件下 GaN 功率器件的失效機(jī)理進(jìn)行了分析和研究,指 出高漏源過沖電壓、柵源電壓的穩(wěn)定性以及 GaN 管芯的溝道溫度的高低是影響 GaN 功率器件長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性的主 要因素,同時(shí)給出了降低漏源過沖電壓、提高柵源電壓穩(wěn)定性以及改善 GaN 管芯的溝道溫度的措施和方法。
引言
隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和武器裝備需求的變 化,雷達(dá)裝備需要對(duì)導(dǎo)彈、隱身飛機(jī)、臨近空間飛行 器、巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)等新的目標(biāo)進(jìn)行精密探測(cè) 。 上述目標(biāo)都具有反射面積小、飛行高度和飛 行速度變化范圍大、來襲空域廣等特點(diǎn),給雷達(dá)預(yù)警 探測(cè)系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn)。 為了繼續(xù)保證實(shí)現(xiàn)雷達(dá) 威力等指標(biāo),對(duì)高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)提出了更高要求, 需要射頻功率放大器提升輸出功率。 同時(shí),艦載、機(jī) 載和星載等平臺(tái)對(duì)雷達(dá)的尺寸和重量提出了更嚴(yán)苛 的要求,需要射頻功率放大器具備更小的體積、重量 和更高的功率密度。
GaN 功率器件具有高功率、高效率、高可靠等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種平臺(tái)和領(lǐng)域。 為了更好地 滿足現(xiàn)代雷達(dá)及裝備發(fā)展需求,需要進(jìn)一步提高 GaN 射頻功率器件的漏源工作電壓來提升輸出功率 和功率密度。 但 GaN 功率器件高漏源偏置電壓、高 增益、高輸入飽和特性、伴隨高功率輸出的高結(jié)溫問 題以及長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性問題需要研究解決。
1 GaN 功率放大器電路設(shè)計(jì)
GaN 功率器件主要應(yīng)用在雷達(dá) T / R 組件或發(fā) 射組件中,完成發(fā)射信號(hào)的放大,主要工作方式為脈 沖工作,追求長(zhǎng)脈寬、高占空比和高功率。 由于 T / R 組件收發(fā)分時(shí)工作,為確保接收信號(hào)不受發(fā)射大功 率信號(hào)干擾,T / R 組件中用于收發(fā)切換的環(huán)行器隔 離度一般小于 20 dB。 功率放大器在雷達(dá)處于接收 時(shí)域時(shí),如果發(fā)射通道的功率放大器的漏極電壓開 啟,會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)電流,從而產(chǎn)生熱噪聲,影響接收通 道的噪聲系數(shù)。 為了避免發(fā)射功放加電時(shí)影響接收 通道噪聲系數(shù),接收通道工作時(shí)需要關(guān)閉發(fā)射通道 的漏極電壓。 同時(shí) GaN 功率器件的柵壓通常為負(fù) 偏置,當(dāng)柵壓不加電而漏壓加電后,GaN 功率器件的漏極靜態(tài)電流會(huì)急劇增加,從而導(dǎo)致功率管芯燒毀, 因此,需要增加負(fù)壓保護(hù)電路,保證柵壓未加電時(shí)漏 極電壓不加電。 放大器電路圖如圖 1 所示。
GaN 功率放大器脈沖工作時(shí),射頻調(diào)制激勵(lì)信 號(hào)與漏壓調(diào)制信號(hào)(Vds)同步,且脈沖前后沿寬度比 漏壓調(diào)制信號(hào)略窄,漏壓調(diào)制后通過 1 / 4 波長(zhǎng)線或 扼流線圈后給 GaN 功率管芯的漏極加電。
GaN 功率放大器柵極電壓(Vgs)與 TTL 脈沖調(diào) 制信號(hào)同時(shí)輸入漏極調(diào)制和負(fù)壓保護(hù)電路,才能完 成漏壓 Vds 的輸出;柵壓 Vgs 經(jīng)過穩(wěn)壓后送給 GaN 功 率管芯的柵極。
2 GaN 功率器件失效機(jī)理
2. 1 電壓過沖致器件失效機(jī)理
GaN 功率放大器在脈沖條件工作時(shí),為了保證 不損失射頻脈沖信號(hào)寬度,一般漏極電壓脈寬大于 信號(hào)脈寬,信號(hào)脈寬嵌套在漏極電壓脈寬中間。 在 輸入微波信號(hào)突然關(guān)斷時(shí),功放的漏極電流會(huì)迅速 減小,由于偏置線存在著感抗 Ls 會(huì)阻止電流發(fā)生突 變,此時(shí)功率放大器在關(guān)斷瞬間的漏極電壓為:
其中:Vds 為功放正常的工作電壓,di / dt 為功放漏極 電流變化率,dt 在發(fā)射波形時(shí)域上表征為發(fā)射射頻 脈沖下降沿。 GaN 功率管或芯片具有很高的射頻開 關(guān)速度,上升下降沿往往能達(dá) 10 ns 以下量級(jí)。
器件正常工作時(shí),動(dòng)態(tài)負(fù)載線在擊穿電壓之內(nèi)。 當(dāng)有大的過沖電壓時(shí),工作點(diǎn)電壓拉高,動(dòng)態(tài)負(fù)載線 達(dá)到或接近器件開態(tài)擊穿點(diǎn),如圖 2 所示,當(dāng)過沖電 壓大于器件擊穿電壓后將導(dǎo)致器件擊穿燒毀。
目前 GaN 功率器件的工藝水平,一般漏源之間 的擊穿電壓約為 3 倍的額定工作電壓 Vds。 通過公 式推算,過沖電壓應(yīng)滿足公式(2) [4] (Vknee 為功放膝 點(diǎn)電壓,GaN 膝點(diǎn)電壓一般為 5 V 左右)。
即便漏源過沖電壓沒有超過 GaN 功率器件的 擊穿電壓,也會(huì)導(dǎo)致 GaN 功率器件管芯漏端柵邊緣 的勢(shì)壘層存在很高的垂直電場(chǎng),從而在該區(qū)域產(chǎn)生 很強(qiáng)的拉伸力。 長(zhǎng)期工作后,拉力超過管芯材料的 承受極限時(shí),引起管芯晶格斷裂,導(dǎo)致管芯性能退化,影響長(zhǎng)期工作可靠性。
2. 2 柵流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)可靠性影響
GaN 功率管在雷達(dá) T/ R 組件發(fā)射功率放大器中 的應(yīng)用一般為 AB 類工作且飽和深度較高。 當(dāng)輸入 功率超過功率管的線性工作區(qū)間時(shí)便會(huì)產(chǎn)生柵流,對(duì) 應(yīng)的柵極電壓振幅、漏極電流及對(duì)應(yīng)的柵極電流如圖 3 所示。 由于輸入功率過剩,柵電壓將超過正常工作 范圍,超出部分用虛線表示,此時(shí)圖 3 中的點(diǎn) P 和點(diǎn) Q 只表示柵電壓的擺幅范圍,不代表實(shí)際的負(fù)載線。 隨著輸入功率的增大,剛開始出現(xiàn)的為負(fù)方向的柵電 流,如圖 3(a)所示。 進(jìn)一步增大輸入功率,正向柵電 壓將超過柵二極管自建電場(chǎng),此時(shí)開始出現(xiàn)正方向的 柵電流,如圖 3(b)所示。 由于柵極電阻的存在,柵流 會(huì)導(dǎo)致實(shí)際加到功率管柵極的柵壓發(fā)生變化,從而引 起功率管工作點(diǎn)的漂移和功放的不穩(wěn)定。
2. 3 工作結(jié)溫過高導(dǎo)致器件失效機(jī)理分析
GaN 器件在雷達(dá)中主要應(yīng)用于大功率發(fā)射組 件,高壓、高功率、長(zhǎng)脈寬和高占空比是其應(yīng)用特點(diǎn)。 這種應(yīng)用特點(diǎn)導(dǎo)致功率管管芯會(huì)產(chǎn)生大量的熱量, 而這些熱量如果不能及時(shí)耗散,則會(huì)引起器件管芯 結(jié)溫明顯升高。 管芯結(jié)溫越高,就會(huì)越快地加速管芯內(nèi)部歐姆接 觸以及肖特基的退化、金屬電極與材料的相互擴(kuò)散以 及表面鈍化層介質(zhì)的退化,影響長(zhǎng)期工作可靠性。 另外,高溫下熱電子發(fā)射因?yàn)閯?shì)壘高度的降低 而變得更為強(qiáng)烈,器件的柵泄漏電流成倍增大,使得 柵特性明顯變差,影響器件工作可靠性。
3 應(yīng)用可靠性提升措施
3. 1 漏極電壓過沖管理
由公式(1) 可知,電壓過沖幅度大小與饋電電 路寄生電感 Ls 以及漏極電流變化率 di / dt 相關(guān),降 低漏極電壓過沖主要手段有:
首先,可以通過減小寄生電感的方式來減小漏 極電壓過沖。 而減小寄生電感的方式主要有加粗饋 電線來減小饋電電感或 1 / 4 波長(zhǎng)線的電感量或在漏 極調(diào)制輸出端加合適容值的電容以抵消寄生電感這 兩種方式[4] 。 加粗饋電線受到 GaN 功率管放大器 高集成度制約,而選取電容器容值大小需要考慮電 容器容值不影響功率管柵漏電源的加電時(shí)序,同時(shí) 過大的漏極電容還會(huì)導(dǎo)致發(fā)射脈沖下降沿過大。
其次,可以通過減小功放漏極電流變化( di)的 方式來減小漏壓過沖。 其主要方式為提升柵壓來提 高功率管的靜態(tài)電流,減小微波信號(hào)關(guān)斷的瞬間電 流變化。 這種方式會(huì)導(dǎo)致 GaN 功率放大器的工作 效率降低,另外釋放靜態(tài)電流后,使得器件的增益提 高導(dǎo)致工作穩(wěn)定性下降,容易產(chǎn)生器件自激等問題。
第三,可以通過時(shí)域波形整形來減緩發(fā)射脈沖 下降沿速度改善漏壓過沖。 具體說就是利用 GaN 功率放大器的漏極調(diào)制電路的輸出漏壓調(diào)制信 號(hào)作為最終射頻輸出波形,射頻激勵(lì)脈沖波形套在 脈沖調(diào)制波形的外面,如圖 4 所示。
利用電源調(diào)制下降沿較緩的特點(diǎn)降低射頻輸出 信號(hào)的開關(guān)速度,可使得 GaN 功率器件的發(fā)射射頻 輸出信號(hào)下降沿變?yōu)?100 ns 左右。
圖 5 為一款 S 波段 GaN 功率管在上升、下降沿 為 10 ns 時(shí)的電壓過沖仿真圖,功率管的工作峰值 電流為 14 A 左右,漏極電壓 Vds 的過沖電壓達(dá) 90 V 以上。當(dāng)器件的工作頻率為P 波段時(shí),漏極饋電 1 / 4 波長(zhǎng)線因電尺寸因素產(chǎn)生的電感量為 S 波段功 率器件的好幾倍,如不采取抑制過沖手段,在管芯的 漏極產(chǎn)生的過沖電壓就會(huì)明顯超過 GaN 管芯的正 常工作電壓。
當(dāng)上升、下降沿變?yōu)?100 ns 時(shí),過沖電壓降為 60 V 左右,兩種下降沿對(duì)應(yīng)的漏壓過沖幅度比較如 圖 6 所示。
3. 2 柵壓穩(wěn)定性管理
如圖 1 所示的功率放大器電路原理圖,柵極加電 到 GaN 功率管柵極串聯(lián)有電阻 R1 ,假設(shè)柵流為 Ig,則 GaN 功率管柵極電壓 Vgg = -2. 8+R1 ×Ig,當(dāng)出現(xiàn)柵流 后,GaN 功率管柵極電壓會(huì)偏離正常工作電壓,使它 的工作點(diǎn)發(fā)生偏移,可能偏離其穩(wěn)定性范圍。
一般情況下,外部電源提供給放大器中所有 GaN 功率管的柵極電壓為-5 V,而不同 GaN 功率管的柵壓有差異,因此會(huì)在 GaN 功率管的柵極電路附 近增加一級(jí)柵極分壓電路來調(diào)整柵壓幅度大小。 常 用的柵極分壓電路有兩種:電阻分壓和線性穩(wěn)壓器。 其中電阻分壓要考慮帶載能力,阻值的選取要注意 柵流的大小,以避免柵壓被拉偏。 穩(wěn)壓器的電流能 力應(yīng)在器件最大柵流范圍內(nèi),并選擇可提供雙向柵 流的穩(wěn)壓器,可以很好地提高柵極電壓穩(wěn)定性。
3. 3 管芯工作結(jié)溫管控
GaN 功率管管芯結(jié)溫受多重因素影響,如 GaN 功率管管芯工作效率和功率密度、多管芯合成應(yīng)用 時(shí)的不同管芯之間的幅相平衡度、管芯襯底的熱導(dǎo) 率、功放模塊的熱導(dǎo)率、焊接材料或界面材料的熱導(dǎo) 率、冷卻換熱效率等。 同時(shí),在實(shí)際工程應(yīng)用中需要 考慮到焊接工藝中的溫度梯度、導(dǎo)熱材料的熱膨脹 匹配度、元器件或組件的可裝配性以及可維修性等 因素。
從 GaN 功率管應(yīng)用層面來說,改善 GaN 功率管 管芯結(jié)溫的措施主要有: 1)通過管芯或匹配電路設(shè)計(jì)優(yōu)化來改善結(jié)溫。 主要手段有:①通過提升功率放大器效率來降低熱 耗,改善管芯工作結(jié)溫;②通過調(diào)節(jié)管芯漏極與匹配 電路金絲來改善管芯內(nèi)部不同管包之間熱均勻性以 及功率合成不同功率管芯的結(jié)溫的均勻性來改善管 芯結(jié)溫,效果如圖 7 所示。
2 ) 管 芯 襯 底 材 料 選 擇 。 目 前 主 流 管 芯 的 襯 底材料為Si和SiC襯底, Si襯底材料的熱導(dǎo)率 為1 5 0 W / ( m · K ) , SiC 襯 底 的 理 論 熱 導(dǎo) 率 為 490 W/ (m·K),適合作為更高功率量級(jí)的 GaN 功 率管芯襯底。 未來隨著管芯功率密度進(jìn)一步提升, 需要采用更高熱導(dǎo)率材料(如金剛石材料等) 作為管芯襯底材料。 金剛石熱導(dǎo)率高達(dá) 1350 W/ (m·K), 能夠大幅提升管芯的功率密度,改善管芯結(jié)溫。
3)管芯到冷板之間接觸熱阻改善。 影響管芯 到冷板之間接觸熱阻大小的因素包含功率管管殼或 功率載片金屬載板的導(dǎo)熱率以及功放模塊外殼材料 的導(dǎo)熱率、管芯焊接材料導(dǎo)熱率。 管殼或功率載片 載板的材料主要為鉬銅或銅鉬銅,功率放大器微組 裝模塊考慮到熱膨脹系數(shù)的匹配性,一般采用鋁硅 材料,但鋁硅材料的導(dǎo)熱性能相比普通鋁材較差,目 前也在考慮其他更高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金材料如鋁硅 碳等。 管芯與鉬銅或銅鉬銅管殼或載板之間的焊接 手段主要有金錫焊接、高溫導(dǎo)電膠粘接和納米銀漿 粘接技術(shù),其中金錫焊接是目前高功率情況下主流 焊接手段,而高溫導(dǎo)電膠雖然工藝簡(jiǎn)單,但導(dǎo)熱率較 低,僅適用于低功率功率管,納米銀漿粘接技術(shù)由于 在高低工作結(jié)溫條件下均具有較低接觸熱阻成為未 來技術(shù)趨勢(shì)。
圖 8 給出了一款 S 波段 GaN 功率微組裝載片 在雷達(dá) T / R 組件或功放組件中應(yīng)用的導(dǎo)熱路徑圖。
表 1 給出了 T / R 組件或發(fā)射組件目前常用熱 層材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)對(duì)比情況。
4)液冷技術(shù)改進(jìn)提高換熱效能來改善 GaN 管 芯結(jié)溫。 目前主流手段為在管芯正下方的冷板設(shè)計(jì) 流道通常規(guī)冷卻液。 流道設(shè)計(jì)方面在熱源下部的流 道內(nèi)嵌入矩形強(qiáng)化肋,利用矩形肋片增加擾動(dòng)和湍 流度,增大散熱面積,提高冷板換熱能力 。 冷卻 媒介方面,兩相流技術(shù)正在成為趨勢(shì),T / R 組件或發(fā) 射功放組件冷板的流道中的冷卻液為液態(tài)氟利昂,利用氟利昂局部升溫后氣化的特性,增加局部管芯 下部溫度過高區(qū)域的熱傳遞速度來改善冷板局部溫 度高導(dǎo)致的管芯結(jié)溫升高的問題。
未來,基于 SiC 襯底或金剛石襯底的片內(nèi)微流 散熱技術(shù)將得到更多應(yīng)用。 該設(shè)計(jì)技術(shù)是利用襯底 背面和熱沉的流道相結(jié)合的方式,使熱沉中的流體 通過分流直接流經(jīng)芯片熱源區(qū)域下端的襯底,而內(nèi) 部流體則采用的是冷凍液,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)芯片近結(jié)區(qū)的 高效熱交換冷卻的目的。
3. 4 長(zhǎng)期工作可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證
GaN 功率器件使用壽命高達(dá)百萬(wàn)小時(shí)以上,元器 件壽命特征的評(píng)估,采用正常應(yīng)力下的長(zhǎng)期壽命試驗(yàn) 時(shí)間上無(wú)法實(shí)現(xiàn),所以需要開展加速壽命試驗(yàn)來在短 期內(nèi)驗(yàn)證 GaN 功率器件的長(zhǎng)期工作可靠性。 同時(shí)還 可根據(jù)加速壽命試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題指導(dǎo) GaN 管 芯或外圍電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)和管芯加工工藝改進(jìn)。
GaN 功率器件加速壽命試驗(yàn)可分為直流應(yīng)力試 驗(yàn)和射頻應(yīng)力試驗(yàn),由于射頻應(yīng)力試驗(yàn)更能反映功 率器件在實(shí)際工作過程中的應(yīng)力情況,因此一般采 用加射頻方式進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。 另外,半導(dǎo)體器件的失效大多是由于器件界面 狀態(tài)的變化和其它物理化學(xué)因素所引起。 例如表面 態(tài)缺陷增加使得器件反向漏電增大,擊穿電壓下降; 表面狀態(tài)的蛻變,使場(chǎng)效應(yīng)晶體管載流子遷移率降 低;設(shè)計(jì)、材料、工藝缺陷引起性能退化等等。 而物 理化學(xué)反應(yīng)速率與管芯工作的溫度等應(yīng)力相關(guān),通 ?？梢杂没瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)中的阿倫尼烏斯(Arrhenius) 方程來表達(dá),其形式如下:
式中:dM/ dt 表示溫度為 T 時(shí)的物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速率; Ea 稱為激活能(eV),GaN 微波功率器件的激活能一 般可取 Ea = 1. 6 eV;K 是玻爾茲曼常數(shù);A 是常數(shù)。 按以往類似器件的經(jīng)驗(yàn),取激活能 Ea = 1. 6 eV, 根據(jù)式(4)可推導(dǎo)不同溫度時(shí)的加速系數(shù) τ :
式中:T1—器件正常偏置工作狀態(tài)下的溝道溫度; T2—器件高溫壽命加速狀態(tài)下的溝道溫度,一般為 器件能夠達(dá)到最高工作結(jié)溫 220 ℃左右。
以某 S 波段 GaN 功率放大器為例,輸出功率為 250 W(峰值),可靠性預(yù)計(jì)值為 λ≤0. 8×10 -6 / h;采 取了過沖電壓控制、柵壓控制以及結(jié)溫控制等措施 后,在最大脈寬和工作比以及 70 ℃ 熱臺(tái)條件下,測(cè)得管芯的最高結(jié)溫為 145 ℃ 。 在 130 ℃ 熱臺(tái)(設(shè)備 所限)通過提高功率載片的脈寬和工作比方式將管 芯的最高結(jié)溫提升至 220 ℃ (紅外熱像儀實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)),算出 τ = 859。 依據(jù) GB5080. 4 中對(duì)可靠性測(cè)定 試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)所規(guī)定的方法,置信度 60%時(shí)器件失 效率計(jì)算公式如下:
其中,X 為置信度符號(hào);r 為失效數(shù);T ∗ 為試驗(yàn)累計(jì)元件小時(shí)數(shù)。
得出累計(jì)壽命試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)滿足:T ∗ / τ≥1340 h, 采用 4 只樣品進(jìn)行試驗(yàn),單個(gè)樣品平均試驗(yàn)時(shí)間為 不少于 335 h。 功率載片試驗(yàn)通過的判決條件為規(guī) 定時(shí)間內(nèi)輸出功率幅度下降不超過 1 dB 即為通過試驗(yàn)。 實(shí)際考核已達(dá) 1000 h,功率載片的輸出功率 滿足要求,遠(yuǎn)超出其可靠性預(yù)計(jì)值。
4 結(jié)論
GaN 高功率器件的長(zhǎng)期可靠性主要受高漏壓電場(chǎng)應(yīng)力、柵壓穩(wěn)定性以及熱應(yīng)力等因素的制約。 通 過對(duì) GaN 高功率器件在脈沖應(yīng)用背景下產(chǎn)生高漏 極過沖電壓產(chǎn)生機(jī)理分析、影響柵壓穩(wěn)定性機(jī)理分 析以及過高管芯結(jié)溫產(chǎn)生分析,給出了 GaN 高功率 器件在實(shí)際工程應(yīng)用情況下采取的管控措施以提升 長(zhǎng)期工作可靠性。 對(duì)基于 GaN 高功率器件的發(fā)射 功放組件設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。
來源：微波學(xué)報(bào) 第39卷第1期
作者：江元俊、王衛(wèi)華、鄭新(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所)
