T/R组件功放芯片瞬态温度响应研究

盛　　重，周　　骏，丁晓明，沈　　亚

（南京电子器件研究所，南京 210016）

T/R组件功放芯片瞬态温度响应研究

盛重，周骏，丁晓明，沈亚

（南京电子器件研究所，南京 210016）

T/R组件的热设计是有源相控阵雷达的核心技术之一。在脉冲周期状态下，T/R组件中的功放芯片在很短的时间内，芯片沟道温度会产生快速的变化。针对芯片在脉冲周期中的瞬态温度响应问题，对芯片沟道温度的瞬态变化进行仿真研究，并利用红外热分析仪进行测试验证。将仿真结果与实验结果进行对比，两者结果吻合较好，满足T/R组件的使用要求。

瞬态温度；热仿真；T/R组件

1　　引言

有源相控阵雷达中，有源阵面占整个雷达70%左右的成本，而有源阵面的核心部件是T/R组件［1］。当T/R组件中的功放芯片工作时，输出功率只占其输入功率的一部分，其功率损耗都会以热能形式散发出去。长时间热能的聚集会导致芯片产生过高的温度，致使芯片的可靠性降低并失效。随着雷达制导精度的提高，跟踪目标批次的增多，使得雷达的工作频段和功率不断提高，阵面更加复杂化，其热设计也越来越重要。

T/R组件中的功放芯片在脉冲周期状态下，在很短的时间内芯片沟道温度可能产生快速的变化，其电学特性、物理参数相应地发生变化，从而影响整个功放芯片的性能，这种剧烈的温度变化导致功放芯片性能的变化是不能忽略的。因此，有必要对脉冲周期内芯片沟道温度的瞬态变化进行研究［2］。

对T/R组件的热设计和热分析，早已引起国内外研究者的重视。传统的热设计通常是根据经验，或应用有限的换热公式进行预先估计，生产出成品后，再通过实验来检验。产品若不能满足要求，就要重复修改。显然，这种传统的热设计方法已不能满足生产需要［3］。热仿真能够在产品开始生产之前确定和消除热问题，借助热仿真可以减少设计成本、提高产品设计的成功率，改善产品的性能和可靠性，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，缩短研制周期。

文中针对T/R组件中功放芯片的瞬态传热问题，基于热仿真软件Flotherm，对芯片在热功率信号作用下的温度瞬态响应特性进行分析。根据芯片热功率信号的方波响应曲线，对脉冲信号周期与芯片的瞬态温度冲击之间的关系进行分析。该研究分析对功放芯片的抗热冲击和热疲劳的能力具有理论指导意义。

2　　基本理论

2.1热分析基本理论

热传导、对流换热和辐射换热是传热的3种基本形式。热传导的基本规律是傅里叶定律。对流换热是指固体表面与它周围接触的流体之间，由于存在温度差而引起的热量交换。对流换热可以分为两类：自然对流和强迫对流。辐射换热指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转换为热的热量交换过程，在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。

2.2瞬态热传导

在空间问题中，瞬态温度场的场方程变量Φ（x，y，z，t）在直角坐标系中的微分方程为：

式中，ρ为材料密度，c为材料比热容，t为时间。

文中的边界条件可以简化为热力学问题中的第一类边界条件，文中计算所用的瞬态温度场分析与通常所用的稳态温度场的最大区别是瞬态温度场函数T（x，y，z，t），而稳态温度场函数是T（x，y，z），经有限元空间离散后，瞬态热传导方程为：

通过上式迭代计算得出节点的温度矩阵T。

3　　热仿真模拟计算

3.1Flotherm简介

Flotherm是由英国Flomerics软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件，Flotherm软件采用成熟的计算流体动力学（CFD）和数值传热学仿真技术，其核心热分析模块可以完成建立分析模型、求解计算、可视化后处理、分析报告等所有基本功能。它可以完全满足系统级、组件级、封装级等各种层次的分析。

该软件后处理模块中，可以清晰显示最大最小值、复杂空间等值曲线、物体表面温度分布以及流体粒子的三维动画等形式。软件接口模块可以方便地读入IGES、SAT、STEP、STL格式的三维几何实体模型，大大缩短建模的时间。

3.2T/R组件模型建立和网格划分

如图1所示，T/R组件的实体模型由三维软件绘制而成，T/R组件主要由防锈铝LF5、CuMo载体、GaAs芯片、AuSn焊料、SnPb焊料、微带线等组成。将实体模型导入到Flotherm热分析软件中并简化处理，对实体模型划分网格。模型中的网格划分越密，计算的精度越高，但网格划分过多，将会使计算时间过长。T/R组件中功放芯片是研究的重点，因此将细密的局部网格应用于功放芯片，对T/R组件外壳及其他部位采用粗糙网格划分。

图1　 T/R组件图

3.3脉冲周期及材料属性的加载

图2是功放芯片脉冲周期图，控制盒附于功放芯片的频率为2 kHz，周期为500 μs，取占空比为10%，即功放芯片在每个周期内工作50 μs，断开450 μs。将T/R组件实体模型导入到flotherm软件中并做简化处理，并将软件中自带的材料属性附于每个实体，材料属性参数如表1所示。通过实际测试计算可知，在占空比为10%的情况下，功放芯片的热损耗功率为3.6W。为了与实际情况相符，在功放芯片上用软件中的面source建立栅条，将热损耗功率按比例平均分配到每根栅条上。

表1　材料参数

4　　结果与分析

4.1瞬态温度响应曲线

图3为T/R组件中功放芯片在工作周期500 μs、取占空比为10%的温度计算结果，取功放芯片从开始工作的0 μs到5000 μs时间段进行研究，具体温度数值如表2所示。从表2的温度数值中可知，芯片从0μs到5000 μs的时间范围内，共经历了10个周期，芯片工作的10个周期的过程中，温度都逐渐升高，相隔的两个周期内的温差保持在0.2℃左右。每个周期的温度最大最小值在10℃范围内波动。

图2　功放芯片脉冲周期图

图3　瞬态温度曲线图

表2　瞬态温度值

图3的瞬态温度曲线图更加能直观地表示数据的波动情况。从图3中可知，在5000 μs的工作范围内，随着功放芯片的开通与闭合，温度曲线呈均匀的同幅度震荡规律，并稳步上升，在达到稳定振荡前有一个明显的爬升过程，即由低温向高温逐渐过渡的阶段。通过仿真模拟，结合图3可知，功放芯片在一个周期内的温度波动还是很剧烈的，功放芯片的瞬态温度冲击对芯片的电学特性、物理参数势必会有影响，仿真结果对功率芯片的抗热冲击和热疲劳的能力具有理论指导意义。

将时间步长拉大，忽略微秒级别的温度波动，重点关注功放芯片温度达到稳态的时间。图4为T/R组件中功放芯片从最初工作状态达到稳定温度状态的温度曲线图。从图中可以看出，0～50 s的时间范围内，温度上升得很快，温度上升曲线呈现线性状态。从50 s到100 s的过程中，温度上升曲线逐渐缓慢，曲线呈现非线性状态，100 s到110 s的过程中，温度曲线基本平缓，110 s以后温度基本趋于平稳，即功放芯片达到稳定状态。从图4中可知芯片工作时温度变化的规律，通过仿真结果可知芯片达到稳定状态的时间，为T/R组件工作状态下达到热平衡提供理论数据。

图4　温度曲线图

4.2瞬态温度云图

图5是T/R组件中功放芯片在10 s、50 s、100 s、150 s的瞬态温度云图。从温度云图中可知，芯片的管芯处温度最高，温度场由管芯向外壳缓慢传递，温度逐渐降低。功放芯片在工作的第10 s时的芯片结温为41.7℃，第50 s时已达到72.4℃，当时间在100 s及150 s时，芯片结温相差不大，芯片已处于稳定状态。

图5　瞬态温度云图

5　　试验分析

5.1红外热像仪概述

通过红外热像仪测量微电子器件的热特性越来越为行业所重视。文中采用的显微红外热像仪为美国QFI公司生产的InfrascopeⅡ型，该热像仪由InSb面阵红外探头、显微支架、控制台、计算机、显示器、打印机几部分组成。其测温范围为70～350℃，温度灵敏度0.001℃，响应波段为2～5 μm，脉冲采样频率高达200 MHz，空间分辨率达到2.5 μm。它利用窄禁带半导体对红外光的响应特性，在红外频段对器件热发射率进行直接测量，并将其测试结果自动转换为温度分布曲线。瞬态红外测试是电子器件瞬态热分析的有效手段，主要应用于测试电子器件的瞬态峰值结温，尤其适合射频和微波脉冲功率器件的瞬态热分析［4］。

5.2试验结果

使用QFI InfrascopeⅡ型红外热像仪对微波瞬态工作的器件进行结温测试。测试时，需把函数信号发生器的脉冲信号同步传送给红外热像仪，红外热像仪即可探测器件工作时器件结温随脉冲信号的变化过程。这种测量方式的优点在于可以直观测量器件热特性，同时可以得到较高的精度，其温度分辨率能达到0.1℃。红外热成像测量须采用恒定的平台温度。

由图6（a）可知，截取已经达到温度平衡状态下的脉冲信号5个周期进行观察研究，芯片中心处的温度呈现锯齿状变化，稳定振荡阶段的温度爬升过程已经很不明显。但在脉冲周期工作状态时间过程中，在极短时间内功放芯片温度有一个突然的攀升，会给芯片造成剧烈的温度冲击。稳定状态下的芯片结温云图如图6（b）所示，从该图中可看出芯片管芯位置的温度最高，达到了83.9℃，仿真与实测的误差低于5%，仿真结果与试验结果基本吻合。果吻合。文中结果对功放芯片的抗热冲击和热疲劳能力具有理论指导意义，为T/R组件功放芯片工作状态下达到热平衡提供理论数据。

图6　测试结果图

［1］於洪标.X波段T/R组件功率放大器芯片的热设计［J］.现代雷达，2010，32（4）：74-78.

［2］熊小明，郭世岭，周卫.GaAs MESFET脉冲微波功率器件瞬态热场模型［J］.电子测量技术，29（5）：51-54.

［3］张琪，蒋和全，尹华.开关电源热仿真模型研究［J］.微电子学，2010，40（2）：884-889.

［4］姚立真.可靠性物理 ［M］.北京：电子工业出版社，2004：242-257.

6　　结论

T/R组件的热设计是有源相控阵雷达的核心技术之一，其中功放芯片在脉冲周期状态下，芯片沟道温度产生快速变化，从而影响整个功放芯片的性能。文中对脉冲信号周期与芯片的瞬态温度冲击之间的关系进行分析研究，并与试验结果相比较，两者之间结

Studies of Transient Temperature Response of Power Amplifier ICs in T/R Module

SHENG Zhong，ZHOU Jun，DING Xiaoming，SHEN Ya

（Nanjing Electronic Device Institute，Nanjing 210016，China）

Thermal design of T/R module is one of the key technologies in active phase array radar.In pulse periods，the channel temperature of the power amplifier will change in the T/R module during a short time.In the paper，the transient changing of the channel temperature of the chip is analyzed using thermal simulator software，and the temperature is tested by infrared analyze instrument.The comparison between simulated and tested results shows that the presented designs are valid to T/R modules.

transient temperature；thermal simulation；T/R module

TG454

A

1681-1070（2016）10-0039-04

2016-6-5

盛重（1984—），男，工程师，主要研究方向为结构及热设计。