簡介

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量方法。半導體器件的可靠性和器件的使用溫度有很大的關系，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鍵。

芯片表面溫度測量

在放大器操作的過程中，紅外顯微被用于探測芯片表面溫度。因為紅外溫度測量方法需要直接看到芯片，芯片的陶瓷保護層就被去掉了取而代之的是一個改造后的保護層，這個保護層有個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。因為芯片和散熱器之間的熱流動取決于熱傳遞，由因為去掉芯片表面的保護層或混合物塑封帶來的測量誤差可以忽略不計。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)，以進行紅外熱測量。這個涂層大大提高了紅外測量的精確度，因為它使紅外顯微鏡的輻射系數(shù)校準過程變得沒有必要。這種被紅外顯微鏡制造商推薦的輻射系數(shù)校準過程在補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，測量場中的最高芯片表面溫度（“熱點”）可以被定位。熱點溫度被作為芯片溫度（TJ），用于熱阻抗方面。熱阻抗的計算方法后面有描述。

外殼溫度（TC）測量

封裝的外殼溫度（TC）由一個直徑0.020英寸的不銹鋼外殼的熱電偶（型號J；歐米茄號：JMQSS-020G-12）測量，這個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）。散熱器上有一個直徑0.032的孔，貫穿散熱器，以容納熱電偶的包裝。這個小孔對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。

圖1 殼體溫度測量

圖2 熱電偶的位置

圖3 散熱器溫度測量

散熱器溫度（TH）測量

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)。

熱測量的順序

在把每個金屬-陶瓷鉚接元件安裝到射頻檢測夾具之前，應該用一個輥子涂一層散熱膏（道康寧340散熱復合材料）到法蘭盤的底面。一個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。這個把元件鎖緊在散熱器上的夾子使用了兩個#4-40不銹鋼組合螺釘，每個都使用5磅-英寸的力矩擰緊。
對于鉚接的塑封器件，除去器件中部的封裝化合物會抵消一部分器件的機械應力，這相應的影響器件的平整度，導致封裝和散熱器之間的溫度接觸變差。為了矯正者一點，一種在室溫下為液態(tài)的連接材料（英達洛依焊料-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

到了這個階段，射頻電路被保證能夠被液態(tài)加熱和冷卻。這個階段的溫度被調(diào)整了，以便于元件的期望的外殼溫度（通常在70℃到90℃之間）能夠在功率測量期間被采集。當測量電路中的器件是能夠得到保證的，紅外掃描就開始了，預期的射頻信號和功率就被施加了。一旦這個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的電參數(shù)就會被采集。這個數(shù)據(jù)被記錄下來，相應的溫度阻抗就可以計算出來。

溫度阻抗，θJC，計算

在一個選定的射頻測試條件下的多芯片射頻功放三極管產(chǎn)品和多級射頻集成電路的決定結(jié)到外殼熱阻的方法被敘述。對于一個在特定射頻測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告值。對于多級射頻集成電路產(chǎn)品，每一級的結(jié)到殼的熱阻（θJC-stage）都會給出報告。

對于多芯片射頻功放產(chǎn)品，由紅外掃描測量到的最高的芯片表面溫度（“熱點”）被用作熱阻計算里的TJ。產(chǎn)品的總功率耗散計算公式為：
Pdiss=（RF input power + DC power（ID*VD））—（RF output power + RF reflected power）
結(jié)到殼的熱阻計算公式為：
θJC = (TJ - TC) / Pdiss
對于一個多級射頻集成電路產(chǎn)品，每一級最高的芯片表面溫度由紅外掃描測量并在計算中作為那一級的熱阻（θJC-stage）。每一級的功率耗散都由那一級的熱阻計算決定和使用。

數(shù)據(jù)手冊θJC值

飛思卡爾射頻功放技術(shù)數(shù)據(jù)手冊列出的熱阻數(shù)據(jù)報告基于一個包含十個器件的一份樣品，這些樣品源于不同的制造批次。每一個芯片都加載到預定的射頻條件然后測量。那份樣品的平均熱阻值被用到數(shù)據(jù)手冊里。

θJC的置信度

使用了量測系統(tǒng)再生性和再現(xiàn)性評估以證明測量中使用的方法和報告飛思卡爾高功率射頻功放精確的熱阻特性。這份評估表明測量的標準偏差以測量均值百分比表示為5%。

總結(jié)

熱阻測量方法已經(jīng)發(fā)展和實施到精確的描述高功率射頻功放。完整的測量方法如下：

•  使用紅外顯微鏡精確確定在射頻測試條件下的高頻（~2GHZ）芯片溫度（TJ）；
• 使用最大的芯片溫度計算結(jié)-殼熱阻（θJC）
• 建立測量的θJC值的置信度水平
• 應用這種方法以決定飛思卡爾射頻功放技術(shù)數(shù)據(jù)手冊中的θJC數(shù)據(jù)。

這個溫度測量方法被應用到多芯片射頻功放管產(chǎn)品和多級功率射頻集成電路產(chǎn)品。

附錄：射頻功放紅外熱測量涂料方法

這份附錄描述了金屬-陶瓷和塑封射頻功放的紅外溫度檢測方法中涂于目標物體使輻射系數(shù)值固定的涂抹技巧。我們已經(jīng)評估了當應用于無涂層的紅外半透明物體，例如硅器件，紅外顯微鏡的輻射系數(shù)矯正過程不起作用[1]。在某些情況下，芯片的非活動區(qū)域呈現(xiàn)出更高的溫度區(qū)域，相比于活動區(qū)域。當在芯片上涂高輻射系數(shù)的涂層后，這個問題立刻得到解決。另外一個問題是未覆蓋涂層的器件相比于覆蓋了涂層的器件來說，在相同的操作環(huán)境下，檢測到的溫度更低一些。

金屬-陶瓷產(chǎn)品測量中去除和更換保護層

在紅外溫度檢測中，為了能夠看到芯片，金屬-陶瓷封裝產(chǎn)品的保護層必須被去除。為了達到這一點，金屬-陶瓷封裝被放置于加熱板上，加熱板的溫度為~280℃，放置時間約45s。繼續(xù)放置在加熱板上直到保護性陶瓷層的環(huán)氧樹脂密封膠已經(jīng)有效融化，可以被除去。這個器件被一個經(jīng)過改造過的，具有一個窗口的蓋子重新覆蓋。這時這個器件就可以涂涂層了。

塑封產(chǎn)品評估中去除塑封化合物

為了能夠?qū)σ粋€塑封包裝的產(chǎn)品進行熱估計，包裝中心的塑封的化合物將被腐蝕掉，腐蝕的過程中不能損傷芯片和連線。

選擇應用于封裝的涂層

基于一份國內(nèi)的研究，這份研究比較了6個不同的涂層，對射頻性能（1GHZ和2GHZ的增益、效率、互調(diào)衰減）具有最小影響的一種被選用。噴涂過程由噴槍實施。

使用噴槍對器件噴涂

使用噴槍噴涂會精確甚至覆蓋物進入器件。噴槍里用來噴射的氣壓約20-25磅/平方英寸。在作業(yè)的過程中噴槍離器件約1/2英寸。一個新的噴涂應用被用于所有器件。為了加快噴涂之間的干燥過程，關閉涂料的供應僅允許空氣通過。然后僅僅干燥后的器件被噴涂。噴涂過程不斷重復直到活躍的芯片被充分覆蓋。在這個噴涂過程中被測量直到輻射系數(shù)為0.98。然后，然后，0.98這個固定的輻射系數(shù)值被輸入紅外顯微鏡以進行有這種涂層的器件的溫度測量。

參考文獻

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.