射頻功率放大器的熱測(cè)量方法

這篇文章闡述了一種被飛思卡爾使用的高功率射頻功放的熱測(cè)量方法。半導(dǎo)體器件的可靠性和器件的使用溫度有很大的關(guān)系，因此，建立使用了高功率器件的系統(tǒng)的可靠性模型，這些高功率器件的精確的溫度特性非常關(guān)鍵。

芯片表面溫度測(cè)量

在放大器操作的過程中，紅外顯微被用于探測(cè)芯片表面溫度。因?yàn)榧t外溫度測(cè)量方法需要直接看到芯片，芯片的陶瓷保護(hù)層就被去掉了取而代之的是一個(gè)改造后的保護(hù)層，這個(gè)保護(hù)層有個(gè)窗口以便于看到芯片。遇到塑料封裝的情況，塑封的中間部分被腐蝕掉，直到芯片表面被有效的露出來。因?yàn)樾酒蜕崞髦g的熱流動(dòng)取決于熱傳遞，由因?yàn)槿サ粜酒砻娴谋Ｗo(hù)層或混合物塑封帶來的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。暴露的芯片被包裹了一層高輻射系數(shù)的涂層（見附錄）以獲得固定的輻射系數(shù)，以進(jìn)行紅外熱測(cè)量。這個(gè)涂層大大提高了紅外測(cè)量的精確度，因?yàn)樗辜t外顯微鏡的輻射系數(shù)校準(zhǔn)過程變得沒有必要。這種被紅外顯微鏡制造商推薦的輻射系數(shù)校準(zhǔn)過程在補(bǔ)償硅的半透明特性帶來的誤差方面是無效的[1]。在紅外顯微過程中，測(cè)量場(chǎng)中的最高芯片表面溫度（“熱點(diǎn)”）可以被定位。熱點(diǎn)溫度被作為芯片溫度（TJ），用于熱阻抗方面。熱阻抗的計(jì)算方法后面有描述。

外殼溫度（TC）測(cè)量

封裝的外殼溫度（TC）由一個(gè)直徑0.020英寸的不銹鋼外殼的熱電偶（型號(hào)J；歐米茄號(hào)：JMQSS-020G-12）測(cè)量，這個(gè)熱電偶安裝在射頻電路的散熱器里。它被安裝在底部，延伸過封裝面，接觸到封裝的下表面（如圖1）。散熱器上有一個(gè)直徑0.032的孔，貫穿散熱器，以容納熱電偶的包裝。這個(gè)小孔對(duì)界面的完整性和熱流路徑的干擾最小。選擇的熱電偶不僅具有良好的熱敏性，同時(shí)具有優(yōu)良的可靠性。熱電偶上有彈簧裝置以保證和封裝底面恒定的機(jī)械接觸。熱電偶的中心位置與封裝里的最活躍的晶體管的中心的位置有關(guān)。

圖1 殼體溫度測(cè)量

圖2 熱電偶的位置

圖3 散熱器溫度測(cè)量

散熱器溫度（TH）測(cè)量

在電路的散熱器中的直接位于大功率射頻器件貼裝位置下方的散熱器溫度（TH）必須在特定的環(huán)境下測(cè)量。在這種情況下，用來按照熱電偶的直徑0.032英寸的孔鉆到離電路所在的散熱器的那一面0.010英寸的地方。這種散熱器溫度測(cè)量方法在以下情況下特別有用：

大功率射頻器件被焊接在有彈簧的熱電偶不能被使用的地方；

用包括了各種界面材料的熱電阻測(cè)量，例如熱油脂或者熱墊片，以決定熱阻抗層疊的表現(xiàn)。

熱測(cè)量的順序

在把每個(gè)金屬-陶瓷鉚接元件安裝到射頻檢測(cè)夾具之前，應(yīng)該用一個(gè)輥?zhàn)油恳粚由岣啵ǖ揽祵?40散熱復(fù)合材料）到法蘭盤的底面。一個(gè)杜邦聚甲奎樹脂夾被用來施加向下的力，這些力被施加在兩耳上和引腳上，如圖4所示。這個(gè)把元件鎖緊在散熱器上的夾子使用了兩個(gè)#4-40不銹鋼組合螺釘，每個(gè)都使用5磅-英寸的力矩?cái)Q緊。
對(duì)于鉚接的塑封器件，除去器件中部的封裝化合物會(huì)抵消一部分器件的機(jī)械應(yīng)力，這相應(yīng)的影響器件的平整度，導(dǎo)致封裝和散熱器之間的溫度接觸變差。為了矯正者一點(diǎn)，一種在室溫下為液態(tài)的連接材料（英達(dá)洛依焊料-51，銦泰公司）被用來代替散熱膏作為界面材料。

圖4 金屬陶瓷器件夾緊方案的爆炸圖

到了這個(gè)階段，射頻電路被保證能夠被液態(tài)加熱和冷卻。這個(gè)階段的溫度被調(diào)整了，以便于元件的期望的外殼溫度（通常在70℃到90℃之間）能夠在功率測(cè)量期間被采集。當(dāng)測(cè)量電路中的器件是能夠得到保證的，紅外掃描就開始了，預(yù)期的射頻信號(hào)和功率就被施加了。一旦這個(gè)器件的期望的殼體溫度到了并且處于穩(wěn)定狀態(tài)，紅外掃描圖像伴和相應(yīng)的電參數(shù)就會(huì)被采集。這個(gè)數(shù)據(jù)被記錄下來，相應(yīng)的溫度阻抗就可以計(jì)算出來。

溫度阻抗，θJC，計(jì)算

在一個(gè)選定的射頻測(cè)試條件下的多芯片射頻功放三極管產(chǎn)品和多級(jí)射頻集成電路的決定結(jié)到外殼熱阻的方法被敘述。對(duì)于一個(gè)在特定射頻測(cè)試條件下的多芯射頻功放產(chǎn)品，結(jié)到外殼的熱阻有單一的報(bào)告值。對(duì)于多級(jí)射頻集成電路產(chǎn)品，每一級(jí)的結(jié)到殼的熱阻（θJC-stage）都會(huì)給出報(bào)告。