GaN 功率器件是雷達 T/ R 組件或發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,器件的長期可靠性成為瓶頸。 文章對雷達脈沖工作條件下 GaN 功率器件的失效機理進行了分析和研究,指 出高漏源過沖電壓、柵源電壓的穩定性以及 GaN 管芯的溝道溫度的高低是影響 GaN 功率器件長期應用可靠性的主 要因素,同時給出了降低漏源過沖電壓、提高柵源電壓穩定性以及改善 GaN 管芯的溝道溫度的措施和方法。
引言
隨著現代雷達技術的發展和武器裝備需求的變 化,雷達裝備需要對導彈、隱身飛機、臨近空間飛行 器、巡航導彈和無人機等新的目標進行精密探測 。 上述目標都具有反射面積小、飛行高度和飛 行速度變化范圍大、來襲空域廣等特點,給雷達預警 探測系統帶來極大的挑戰。 為了繼續保證實現雷達 威力等指標,對高功率固態發射機提出了更高要求, 需要射頻功率放大器提升輸出功率。 同時,艦載、機 載和星載等平臺對雷達的尺寸和重量提出了更嚴苛 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,已廣泛應用于各種平臺和領域。 為了更好地 滿足現代雷達及裝備發展需求,需要進一步提高 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溫問 題以及長期應用可靠性問題需要研究解決。
1 GaN 功率放大器電路設計
GaN 功率器件主要應用在雷達 T / R 組件或發 射組件中,完成發射信號的放大,主要工作方式為脈 沖工作,追求長脈寬、高占空比和高功率。 由于 T / R 組件收發分時工作,為確保接收信號不受發射大功 率信號干擾,T / R 組件中用于收發切換的環行器隔 離度一般小于 20 dB。 功率放大器在雷達處于接收 時域時,如果發射通道的功率放大器的漏極電壓開 啟,會產生靜態電流,從而產生熱噪聲,影響接收通 道的噪聲系數。 為了避免發射功放加電時影響接收 通道噪聲系數,接收通道工作時需要關閉發射通道 的漏極電壓。 同時 GaN 功率器件的柵壓通常為負 偏置,當柵壓不加電而漏壓加電后,GaN 功率器件的漏極靜態電流會急劇增加,從而導致功率管芯燒毀, 因此,需要增加負壓保護電路,保證柵壓未加電時漏 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,射頻調制激勵信 號與漏壓調制信號(Vds)同步,且脈沖前后沿寬度比 漏壓調制信號略窄,漏壓調制后通過 1 / 4 波長線或 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 制信號同時輸入漏極調制和負壓保護電路,才能完 成漏壓 Vds 的輸出;柵壓 Vgs 經過穩壓后送給 GaN 功 率管芯的柵極。
2 GaN 功率器件失效機理
2. 1 電壓過沖致器件失效機理
GaN 功率放大器在脈沖條件工作時,為了保證 不損失射頻脈沖信號寬度,一般漏極電壓脈寬大于 信號脈寬,信號脈寬嵌套在漏極電壓脈寬中間。 在 輸入微波信號突然關斷時,功放的漏極電流會迅速 減小,由于偏置線存在著感抗 Ls 會阻止電流發生突 變,此時功率放大器在關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 在發射波形時域上表征為發射射頻 脈沖下降沿。 GaN 功率管或芯片具有很高的射頻開 關速度,上升下降沿往往能達 10 ns 以下量級。
器件正常工作時,動態負載線在擊穿電壓之內。 當有大的過沖電壓時,工作點電壓拉高,動態負載線 達到或接近器件開態擊穿點,如圖 2 所示,當過沖電 壓大于器件擊穿電壓后將導致器件擊穿燒毀。
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,過沖電壓應滿足公式(2) [4] (Vknee 為功放膝 點電壓,GaN 膝點電壓一般為 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,也會導致 GaN 功率器件管芯漏端柵邊緣 的勢壘層存在很高的垂直電場,從而在該區域產生 很強的拉伸力。 長期工作后,拉力超過管芯材料的 承受極限時,引起管芯晶格斷裂,導致管芯性能退化,影響長期工作可靠性。
2. 2 柵流產生機理及對可靠性影響
GaN 功率管在雷達 T/ R 組件發射功率放大器中 的應用一般為 AB 類工作且飽和深度較高。 當輸入 功率超過功率管的線性工作區間時便會產生柵流,對 應的柵極電壓振幅、漏極電流及對應的柵極電流如圖 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,此時圖 3 中的點 P 和點 Q 只表示柵電壓的擺幅范圍,不代表實際的負載線。 隨著輸入功率的增大,剛開始出現的為負方向的柵電 流,如圖 3(a)所示。 進一步增大輸入功率,正向柵電 壓將超過柵二極管自建電場,此時開始出現正方向的 柵電流,如圖 3(b)所示。 由于柵極電阻的存在,柵流 會導致實際加到功率管柵極的柵壓發生變化,從而引 起功率管工作點的漂移和功放的不穩定。
2. 3 工作結溫過高導致器件失效機理分析
GaN 器件在雷達中主要應用于大功率發射組 件,高壓、高功率、長脈寬和高占空比是其應用特點。 這種應用特點導致功率管管芯會產生大量的熱量, 而這些熱量如果不能及時耗散,則會引起器件管芯 結溫明顯升高。 管芯結溫越高,就會越快地加速管芯內部歐姆接 觸以及肖特基的退化、金屬電極與材料的相互擴散以 及表面鈍化層介質的退化,影響長期工作可靠性。 另外,高溫下熱電子發射因為勢壘高度的降低 而變得更為強烈,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,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 波長線的電感量或在漏 極調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序,同時 過大的漏極電容還會導致發射脈沖下降沿過大。
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 高功率管的靜態電流,減小微波信號關斷的瞬間電 流變化。 這種方式會導致 GaN 功率放大器的工作 效率降低,另外釋放靜態電流后,使得器件的增益提 高導致工作穩定性下降,容易產生器件自激等問題。
第三,可以通過時域波形整形來減緩發射脈沖 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制電路的輸出漏壓調制信 號作為最終射頻輸出波形,射頻激勵脈沖波形套在 脈沖調制波形的外面,如圖 4 所示。
利用電源調制下降沿較緩的特點降低射頻輸出 信號的開關速度,可使得 GaN 功率器件的發射射頻 輸出信號下降沿變為 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 90 V 以上。當器件的工作頻率為P 波段時,漏極饋電 1 / 4 波長線因電尺寸因素產生的電感量為 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 漏極產生的過沖電壓就會明顯超過 GaN 管芯的正 常工作電壓。
當上升、下降沿變為 100 ns 時,過沖電壓降為 60 V 左右,兩種下降沿對應的漏壓過沖幅度比較如 圖 6 所示。
3. 2 柵壓穩定性管理
如圖 1 所示的功率放大器電路原理圖,柵極加電 到 GaN 功率管柵極串聯有電阻 R1 ,假設柵流為 Ig,則 GaN 功率管柵極電壓 Vgg = -2. 8+R1 ×Ig,當出現柵流 后,GaN 功率管柵極電壓會偏離正常工作電壓,使它 的工作點發生偏移,可能偏離其穩定性范圍。
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,因此會在 GaN 功率管的柵極電路附 近增加一級柵極分壓電路來調整柵壓幅度大小。 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。 穩壓器的電流能 力應在器件最大柵流范圍內,并選擇可提供雙向柵 流的穩壓器,可以很好地提高柵極電壓穩定性。
3. 3 管芯工作結溫管控
GaN 功率管管芯結溫受多重因素影響,如 GaN 功率管管芯工作效率和功率密度、多管芯合成應用 時的不同管芯之間的幅相平衡度、管芯襯底的熱導 率、功放模塊的熱導率、焊接材料或界面材料的熱導 率、冷卻換熱效率等。 同時,在實際工程應用中需要 考慮到焊接工藝中的溫度梯度、導熱材料的熱膨脹 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 功率管應用層面來說,改善 GaN 功率管 管芯結溫的措施主要有: 1)通過管芯或匹配電路設計優化來改善結溫。 主要手段有:①通過提升功率放大器效率來降低熱 耗,改善管芯工作結溫;②通過調節管芯漏極與匹配 電路金絲來改善管芯內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溫的均勻性來改善管 芯結溫,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襯底材料的熱導率 為1 5 0 W / ( m · K ) , SiC 襯 底 的 理 論 熱 導 率 為 490 W/ (m·K),適合作為更高功率量級的 GaN 功 率管芯襯底。 未來隨著管芯功率密度進一步提升, 需要采用更高熱導率材料(如金剛石材料等) 作為管芯襯底材料。 金剛石熱導率高達 1350 W/ (m·K), 能夠大幅提升管芯的功率密度,改善管芯結溫。
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熱率以及功放模塊外殼材料 的導熱率、管芯焊接材料導熱率。 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的匹配性,一般采用鋁硅 材料,但鋁硅材料的導熱性能相比普通鋁材較差,目 前也在考慮其他更高導熱系數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、高溫導電膠粘接和納米銀漿 粘接技術,其中金錫焊接是目前高功率情況下主流 焊接手段,而高溫導電膠雖然工藝簡單,但導熱率較 低,僅適用于低功率功率管,納米銀漿粘接技術由于 在高低工作結溫條件下均具有較低接觸熱阻成為未 來技術趨勢。
圖 8 給出了一款 S 波段 GaN 功率微組裝載片 在雷達 T / R 組件或功放組件中應用的導熱路徑圖。
表 1 給出了 T / R 組件或發射組件目前常用熱 層材料的熱導率和熱膨脹系數對比情況。
4)液冷技術改進提高換熱效能來改善 GaN 管 芯結溫。 目前主流手段為在管芯正下方的冷板設計 流道通常規冷卻液。 流道設計方面在熱源下部的流 道內嵌入矩形強化肋,利用矩形肋片增加擾動和湍 流度,增大散熱面積,提高冷板換熱能力 。 冷卻 媒介方面,兩相流技術正在成為趨勢,T / R 組件或發 射功放組件冷板的流道中的冷卻液為液態氟利昂,利用氟利昂局部升溫后氣化的特性,增加局部管芯 下部溫度過高區域的熱傳遞速度來改善冷板局部溫 度高導致的管芯結溫升高的問題。
未來,基于 SiC 襯底或金剛石襯底的片內微流 散熱技術將得到更多應用。 該設計技術是利用襯底 背面和熱沉的流道相結合的方式,使熱沉中的流體 通過分流直接流經芯片熱源區域下端的襯底,而內 部流體則采用的是冷凍液,進而實現芯片近結區的 高效熱交換冷卻的目的。
3. 4 長期工作可靠性試驗驗證
GaN 功率器件使用壽命高達百萬小時以上,元器 件壽命特征的評估,采用正常應力下的長期壽命試驗 時間上無法實現,所以需要開展加速壽命試驗來在短 期內驗證 GaN 功率器件的長期工作可靠性。 同時還 可根據加速壽命試驗過程中出現的問題指導 GaN 管 芯或外圍電路的改進設計和管芯加工工藝改進。
GaN 功率器件加速壽命試驗可分為直流應力試 驗和射頻應力試驗,由于射頻應力試驗更能反映功 率器件在實際工作過程中的應力情況,因此一般采 用加射頻方式進行加速壽命試驗。 另外,半導體器件的失效大多是由于器件界面 狀態的變化和其它物理化學因素所引起。 例如表面 態缺陷增加使得器件反向漏電增大,擊穿電壓下降; 表面狀態的蛻變,使場效應晶體管載流子遷移率降 低;設計、材料、工藝缺陷引起性能退化等等。 而物 理化學反應速率與管芯工作的溫度等應力相關,通 常可以用化學動力學中的阿倫尼烏斯(Arrhenius) 方程來表達,其形式如下:
式中:dM/ dt 表示溫度為 T 時的物質化學反應速率; 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;A 是常數。 按以往類似器件的經驗,取激活能 Ea = 1. 6 eV, 根據式(4)可推導不同溫度時的加速系數 τ :
式中:T1—器件正常偏置工作狀態下的溝道溫度; T2—器件高溫壽命加速狀態下的溝道溫度,一般為 器件能夠達到最高工作結溫 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),可靠性預計值為 λ≤0. 8×10 -6 / h;采 取了過沖電壓控制、柵壓控制以及結溫控制等措施 后,在最大脈寬和工作比以及 70 ℃ 熱臺條件下,測得管芯的最高結溫為 145 ℃ 。 在 130 ℃ 熱臺(設備 所限)通過提高功率載片的脈寬和工作比方式將管 芯的最高結溫提升至 220 ℃ (紅外熱像儀實測數 據),算出 τ = 859。 依據 GB5080. 4 中對可靠性測定 試驗的點估計所規定的方法,置信度 60%時器件失 效率計算公式如下:
其中,X 為置信度符號;r 為失效數;T ∗ 為試驗累計元件小時數。
得出累計壽命試驗時間應滿足:T ∗ / τ≥1340 h, 采用 4 只樣品進行試驗,單個樣品平均試驗時間為 不少于 335 h。 功率載片試驗通過的判決條件為規 定時間內輸出功率幅度下降不超過 1 dB 即為通過試驗。 實際考核已達 1000 h,功率載片的輸出功率 滿足要求,遠超出其可靠性預計值。
4 結論
GaN 高功率器件的長期可靠性主要受高漏壓電場應力、柵壓穩定性以及熱應力等因素的制約。 通 過對 GaN 高功率器件在脈沖應用背景下產生高漏 極過沖電壓產生機理分析、影響柵壓穩定性機理分 析以及過高管芯結溫產生分析,給出了 GaN 高功率 器件在實際工程應用情況下采取的管控措施以提升 長期工作可靠性。 對基于 GaN 高功率器件的發射 功放組件設計具有參考價值。
來源：微波學報 第39卷第1期
作者：江元俊、王衛華、鄭新(中國電子科技集團公司第十四研究所)
