某GaAs MMIC功率放大器热特性的电学法测量

魏 涛，钱吉裕，孔祥举，陈国平，张梁娟

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某GaAs MMIC功率放大器热特性的电学法测量

魏 涛，钱吉裕，孔祥举，陈国平，张梁娟

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

与场效应管不同，MMIC功放由于集成了电阻、电容等电子元器件，其热特性的电学法测量非常困难。文中研究并设计了相应的测量方法和装置，利用新型的静态电学法测量了2个GaAs MMIC功率放大器的热特性，得到各层热阻构成和瞬态热阻，并通过结构函数对比发现2个样品的金锡焊接层存在一定的差异。经实验对比发现，静态电学法的热阻测量结果和红外法(10 μm)结果相当，但静态电学法具有快速、便捷的优点。

GaAs；MMIC；电学法；热特性；红外

引 言

半导体器件的工作温度对性能和可靠性有着很大的影响，半导体器件的绝大多数失效机理引发的失效都会随温度的升高而加速。单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)作为一种新型器件，于1987年由DARPA实施发展而来[1]，对军用微波系统产生了划时代的影响，带来了诸多高性能、低成本的新型器件(功率放大器、混频器、振荡器、移相器等)，基于GaAs衬底材料的MMIC已在微波领域内得到广泛应用。然而，MMIC的热特性问题一直是人们关注的热点，测量、分析GaAs MMIC的热特性，以便改进其热设计，提高器件的热可靠性，受到了研究者的广泛重视。

精确测量半导体器件的工作温度，尤其是沟道温度比较困难，挑战在于空间和时间的解析度。对半导体器件而言，最常用的温度测量方法可以被分为3类：电学[2]、光学[3]、物理接触。相比于其他两种方法，电学法利用半导体器件电学参数随温度变化的线性关系测量其内部温升，具有快速、非破坏性、热学信息量大等优点，成为半导体器件热特性分析的首选方法。本文针对一种新型GaAs MMIC功率放大器的电学法测量原理进行讨论，在此基础上对测试样品的热特性进行测量分析，并和红外法测量结果进行对比。

1 测试原理及方法

1.1 测量原理

许多半导体器件与电路的电学参数与温度有密切的关系，如PN结正向电压、阈值电压、泄漏电流等。其中，PN结正向电压随温度的变化具有很好的线性关系[4]，这一关系常被用作电学法测量半导体器件或组件的物理基础，已成为电学法测温中使用最普遍的电学参数。正向电压随温度的变化关系可以近似描述为：

VT1=VT0+K(T1-T0)

(1)

式中：VT1、VT0分别是T1、T0时刻的输入电压；K是温度系数。K同衬底材料、制造工艺等都有关系。理论上，任何PN结如果可以通过引线来进行电气接触，其正向电压都可以作为温度测量的参数，包括GaAs衬底的MES管、MOS管的栅源电压。

电学法在测量器件(或组件)的瞬态热阻时，可以分为动态法和静态法两种。动态法为传统方法，在测量瞬态温度响应时是通过人为构建脉冲加热功率来模拟瞬态过程，测量数据的准确性、完备性及可重复性难以保证。静态法作为一种新型方法，弥补了动态法的不足，通过高采样率实时记录温度随时间的瞬态响应曲线，再应用结构函数方法得到瞬态热阻曲线及测试对象的热特性。目前JEDEC(国际固态技术协会)已公布了基于静态法的结壳热阻测试标准JESD51-14。

本文讨论的GaAs MMIC功率放大器为三级放大电路，其中末级(第三级)是主要的发热区，末级的HEMT管属于一种变形MES管，如前所述可采用其栅源电压作为测量对象，并采用静态法进行热特性测量。

1.2 测量方法和装置

整个测量过程包括测量温度系数K和热特性测量两个步骤。主要的测试装置采用T3ster瞬态热阻测试仪，待测样品组成和测试系统构成见图1。

图1 待测样品组成和测试系统构成示意图

第1步：测量温度系数K。将待测器件置于恒温台上，控制温度待器件达到稳态后，加小测试电流(mA量级)测量末级栅源电压，重复多个温度点，线性拟合得到温度系数K。本文所测样品的温度系数K=-1.619 mV/℃，如图2所示。

图2 被测GaAs MMIC样品的温度系数K

第2步：热特性测量。器件测量一般分工作状态和测量状态。工作状态时，对于GaAs MMIC器件，末级HEMT的栅源之间加反偏置，漏源加正偏置；而测量状态时，栅源之间加正偏置，漏源不加电。所以，从工作状态切换到测量状态时必须通过快速开关电路切断栅源、漏源电压，将正向恒定测试电流加到栅源上测量此时的结电压，测试电路见图3。

图3 GaAs MMIC器件热特性测试电路

测量过程需重点关注两个方面。一是开关电路的转换要足够快，以保证最初的温度变化信息(芯片内的传热过程)被捕捉到。目前国外最先进的设备T3ster可以达到1 μs，国内同类设备约为3～5 μs[5]，两者理论误差小于10%。二是测量间隔要足够短，目的为精确捕捉温降过程，芯片的热响应时间约为ms量级甚至更低，因此测量间隔应达到μs量级。

2 测试结果及讨论

测试样品共2个，样品的散热途径可分为3层，分别是：GaAs MMIC层、无氧铜载体和测试壳体(金属层)，层与层之间焊接连接(焊接层)，如图1(a)所示。第2步热特性测量共进行2次，第1次在样品与恒温板之间采用干接触，第2次涂覆导热硅脂，由于2次散热途径的改变仅发生在样品与恒温板之间，在表征样品热特性的热容-热阻曲线上会出现分界点。

2.1 样品的热特性分析

如图4所示，样品1的第1次测量结果为虚线所示，第2次为实线所示，其分界线之前的曲线基本重合，为样品的热特征曲线。金属层和焊接层的“热容-热阻”曲线有明显区别，金属层热容大，热阻小，曲线陡峭；而焊接层则相反，热容小，热阻大，曲线平缓。简单计算各层热阻可根据C-R曲线上的拐点进行划分，细致计算则需要改变相应位置的界面接触形式使曲线出现分界点。

图4 样品1的热特性曲线

从图4可以看出，样品1的总热阻约为2.25 K/W，其中GaAs MMIC层的热阻约为0.44 K/W，仅占总热阻的20%；而GaAs MMIC和无氧铜载体之间的金锡焊料层的热阻达到1.0 K/W，占总热阻高达44%，其他热阻(无氧铜载体、铅锡焊料和测试模块壳体)之和占36%(图5)。因此，要改善芯片温度，应尽可能降低金锡焊料层的热阻，采取的措施包括减小焊层厚度、提高焊透率等。

图5 样品两种测试方法所测结果汇总

图6给出了样品1的脉冲热阻，随着脉宽、占空比的增大，脉冲热阻增大。脉冲热阻随脉宽的增长关系，大致可分为2个阶段。阶段1，脉宽较小(小于ms量级)，脉冲热阻随脉宽增长较快，曲线较陡峭，占空比对热阻影响较大；阶段2，脉宽增大到ms量级后，脉冲热阻随脉宽增长较缓慢，曲线较平滑并逐步接近稳态热阻值，占空比对热阻影响较小。样品1在1 ms、占空比仅为5%时，脉冲热阻即达到稳态热阻的80%，为1.8 K/W；占空比为50%时，达到89%，为2 K/W。

图6 样品1的脉冲热阻和脉宽、占空比的变化关系

图7给出了样品1和样品2的热容-热阻曲线对比。可以发现，除金锡焊层存在较明显的差异外，样品1和样品2的热容-热阻曲线几乎完全重合，样品1的金锡焊层焊接热阻约为1 K/W，而样品2为0.72 K/W，反映了2个样品的金锡焊接存在较大的差异。

图7 样品1和样品2热特性对比

2.2 和红外法测量结果的比较

为了验证电学法的测量准确性，利用红外法对样品1进行测试。测试装置采用QFI公司的infrascopeII红外热测试平台，其空间精度根据放大倍数可调，分别为67.5 μm(1倍)、13.5 μm(5倍)和2.7 μm(25倍)，结果如图8所示。红外法的测量结果受放大倍数影响较大，随放大倍数增大测量更准确，温度值也更大，其中最高精度(25倍)比最低精度(1倍)高约40%。

图8 样品1的红外法测温结果

图9给出了样品1的2种测试方法结果对比，可以看出电学法和中等精度(5倍)红外法的测试结果基本一致，空间精度大致相当于10 μm量级的红外精度。

图9 样品1采用2种测试方法的结壳热阻对比(壳指样品底部)

电学法的优点：1)多用途。可测结温、结壳热阻、接触热阻、焊接热阻等；2)高效率。一次测量可得到不同脉宽、占空比下的结温；3)热分析。可看到散热途径上的热信息，含各层的热阻和热容。但该方法不直观，需要外围电路。电学法主要用于热设计，也可用于检验。红外法的优点：1)直观。可直接看到结温及芯片温度分布；2)真实测量。非接触式、实际工作状态测量。但该方法不能给出对象的各层热阻信息，且只能开盖测量。红外法主要用于批检。从应用角度来看，电学法更注重热设计，可测参数多，用途广；而红外法侧重于批检，可很方便直观地发现“过热点”。

3 结束语

本文介绍了GaAs MMIC功率放大器热特性的电学法测量的原理及方法，利用静态电学法对某GaAs MMIC样品进行了测量，分析了样品的热阻构成及不同样品的差异，并将该结果与红外测量结果进行比较，在可比范围内符合较好，最后给出了2种测温方法的优劣比较。电学法分析半导体器件的热特性具有快速、非破坏性等优点，为器件的热特性分析提供了方便的测试方法。

[1] DARPAR. DARPAR战略规划&微系统技术[Z]. 中国电子科技集团公司. 2009.

[2] FUKUI H. Thermal resistance of GaAs field-effect transistors[C]//International Electron Devices Meeting, 1980, 26: 118-121.

[3] 彭利军, 杨坤涛, 章秀华. 光学测温技术中的物理原理[J]. 红外, 2006, 27(10): 1-4.

[4] DAMLJANOVIC D D. Remodeling the p-n junction[J]. IEEE Circuits and Devices Magazine, 1993, 9(6): 35-37.

[5] 冯士维, 谢雪松, 吕长志, 等. 半导体器件热特性的电学法测量与分析[J]. 半导体学报, 1999, 20(5): 358-363.

魏 涛(1984-)，男，博士，主要从事相控阵雷达电子设备的热控技术研究。

Thermal Properties Measurement by Electrical Method for a GaAs MMIC Power Amplifier

WEI Tao，QIAN Ji-yu，KONG Xiang-ju，CHEN Guo-ping，ZHANG Liang-juan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Different from FET, thermal properties measuring of MMIC by conventional electrical method is unsatisfactory because MMIC power amplifier integrates electronic components such as resistor, capacitor, etc. Related measuring methods and devices are studied and designed in this paper. A novel method based on the conventional electrical method is used to measure the thermal properties of two GaAs MMIC power amplifiers, and both the layer constitution of thermal resistances and the transient thermal resistances are obtained. Structural function comparison reveals the difference of Sn-Au die between the two test samples. The accuracy of the presented method is similar to IR measuring (10 μm) method, but the presented method has advantages such as convenience and quickness.

GaAs; MMIC; electrical method; thermal properties; IR

2013-11-24

TN722.7+5

A

1008-5300(2014)02-0026-04