揭秘RF功率器件的設計及應用要點

飛思卡爾半導體在生產(chǎn)及銷售分立和集成射頻半導體器件方面具有雄厚實力。該公司采用HV7工藝的第七代硅RF外側(cè)擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)，在3.8GHz范圍內(nèi)具有滿足WiMAX基礎設施的輸出功率和線性性能。飛思卡爾面向工業(yè)、科學以及醫(yī)療(ISM)應用的高電壓HV7工藝支持48V工作電壓，該公司還將其大功率GaAs PHEMT器件的工作頻率擴展到6GHz，可用于WiMAX放大器。

最近，飛思卡爾半導體宣布推出第一款具有100W輸出功率的兩級射頻集成電路(RF IC)。當由該公司高性價比的MMG3005N通用放大器(GPA)驅(qū)動時，MWE6IC9100N和MW7IC181 00N RF IC構成了工作在900和1,800MHz的無線基站100W功率放大器完整解決方案。

雖然這些分立以及集成RF功率器件的性能非常優(yōu)異，但將這些器件交至客戶手中僅僅是開始。事實上，每次交付使用都將由飛思卡爾的技術人員提供各種測試、建模、封裝以及應用支持。

RF功率特性

負載拉移測量技術在最近幾年愈來愈受歡迎，該技術通常被用來測量RF功率放大器的參數(shù)，比如峰值輸出功率、增益，以及在器件參考平面出現(xiàn)的各種復雜負載條件下的效率。在同一測量環(huán)境中采用多種復雜的調(diào)制信號也越來越普遍。對大功率RF半導體生產(chǎn)商而言，準確表征產(chǎn)品的特性還存在困難，與此同時開發(fā)這類器件還必須采用大的外圍設備。這類設備一般為60mm，終端阻抗低于0.5Ω，品質(zhì)因數(shù)(Q)在8至10之間。

飛思卡爾公司的射頻部門已開發(fā)出幾種增強精度的技術和以及多種自動定制測量技術。該部門具有高反射(高γ)負載拉移實驗室，測試頻率覆蓋250MHz至8GHz，測試功率高達100W連續(xù)功率(CW)(或者500W脈沖功率)，可為該公司的GaAs、GaN和LDMOS器件、建模、應用和其它功能小組提供服務(圖1)。飛思卡爾具有對0.5Ω以及更低阻抗器件實現(xiàn)先進測量的能力，為此該公司開發(fā)出了一系列專門測試設備來優(yōu)化阻抗變換比，將50Ω系統(tǒng)特性阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β示w管負載拉移測量所需的低阻抗。

除基于夾具的系統(tǒng)外，飛思卡爾還采用基于商用晶圓探針測試設備的晶圓上負載拉移系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于器件的研究、開發(fā)及建模。晶圓上負載拉移系統(tǒng)采用獨特的三維抗振動機制來減小調(diào)諧振動的影響，從而將探針到晶圓的接觸損傷降至最小。

飛思卡爾半導體公司的負載拉移系統(tǒng)具有很高的精度，通常在γ值最大(0.93至0.95或Smith圖邊沿)的情況下，傳感器差分增益ΔG_t小于0.25dB，并且在測量區(qū)域內(nèi)小于0.1dB。這一精度水平是通過在所有測量參考面采用高精度的7mm同軸連接器來實現(xiàn)的，這些連接器的在2GHz下的電壓駐波比(VSWR)一般為1.008:1。另外一些特性也為達到這個精度提供了保障，這些特性包括：中心接觸阻抗小于0.1mΩ、良好的校正特性、單元至單元阻抗變化小于0.1%、在18GHz頻率下的相變小于0.21度。

結合使用矢量網(wǎng)絡分析儀與負載拉移測試系統(tǒng)，并采用穿透-反射-線(TRL)校正法，可實現(xiàn)優(yōu)于45dB的源匹配。與其VNA校正方法，如短路-開路-負載-穿透(SOLT)法相比，TRL校正法不受高頻下校正負載標準的寄生電路元件(固有的額外電容及電感)的影響。

通常，對每個調(diào)諧器要測試5,000至6,000個阻抗點，從而確保阻抗點在源和負載阻抗平面內(nèi)均勻分布。當非匹配外圍設備的終端阻抗很低時，這些設備對很小的阻抗變化非常敏感，因此對它們的測試需要高密度的測試點。在評估包含封裝匹配部分的阻抗較高的產(chǎn)品時，不要求如此高的測試密度，此時可以進行測試點稀疏的負載拉移測試。

典型的負載拉移設置如圖2所示。在飛思卡爾，采用負載拉移系統(tǒng)來評價器件的峰值脈沖壓縮、AM-AM轉(zhuǎn)換、AM-PM轉(zhuǎn)換、頻率響應以及大信號器件輸入阻抗等。該系統(tǒng)也可以用于復合信號的測量，以確定平均和峰值功率、鄰道功率(ACP)、雙音和多音交調(diào)失真(IMD)測試等，并評估器件在EDGE信號不同負載條件下的行為。飛思卡爾還進行器件信號功率的互補累積分布函數(shù)(CCDF)分析。CCDF測試是常見的第二代(2G)和第三代(3G)無線測量。實現(xiàn)CW、脈沖以及調(diào)制信號測量的要求來自于這些信號在器件上產(chǎn)生不同熱負載的事實，因此，對每個調(diào)制格式優(yōu)化的負載阻抗也是不同的，如圖3所示。除這一廣泛的測量能力以外，飛思卡爾已開發(fā)了獨具價值的數(shù)據(jù)輸入和后處理工具，使用戶能夠快速分析二維或三維平面下被測試器件(DUT)的行為(圖4)。

脈沖VNA負載拉移技術被用來測量飛思卡爾公司廣泛的功率晶體管產(chǎn)品，包括170W WCDMA器件MRF7S21170H。該器件的負載拉移功率等高線顯示，1dB壓縮點的脈沖輸出功率高于+53dBm(200W)，2.14GHz頻率下的增益為19.94dB(圖5)。由于具有這些技術，MRF7S21170H的最終匹配網(wǎng)絡設計變成非常簡單，只需為同時優(yōu)化功率密度、增益、效率，以及綜合的匹配網(wǎng)絡而選擇負載和源阻抗。

功率器件的建模

設計面向現(xiàn)代通訊和廣播系統(tǒng)、工業(yè)、科學和醫(yī)療應用，以及航空電子和雷達市場的RF功率放大器(PA)是一個很大的挑戰(zhàn)，設計工程師必須滿足提高RF功率放大器能效的目標，并同時滿足嚴格的調(diào)節(jié)(比如線性)和對更低成本放大器的需求。

基于AB類工作模式的傳統(tǒng)放大器正被采用Doherty和包絡跟蹤等結構的效率更高的設計所代替，后者可以工作在非線性模式下，例如D類、E類、F類以及其它工作模式等。效率更高、線性度更高、成本更低，這些相互矛盾的要求意味著設計工程師必須進行多方面的折衷。如此艱巨的任務只能采用基于經(jīng)驗或“試湊”的辦法來完成。設計工程師必須轉(zhuǎn)向計算機輔助設計(CAD)技術以及電路仿真來優(yōu)化設計。在射頻功率放大器設計中越來越多地采用CAD方法，使得設計更多地依賴于精確晶體管模型。越來越多的公司利用CAD方法來顯著縮短產(chǎn)品上市時間，并增加設計的魯棒性以應對工藝和生產(chǎn)參數(shù)的變化。對半導體生產(chǎn)商而言，及時提供精確、非線性、電熱模型已成為在可相互替代的供應商中脫穎而出的關鍵。

采用飛思卡爾的大功率射頻晶體管的功率放大器設計工程師，可以得到飛思卡爾具有全面經(jīng)驗的射頻建模團隊的技術支持，并獲得非線性電熱晶體管模型?？梢詮脑摴镜腞F大功率模型庫www.freescale.com/rf/models在線獲得模型。很多CAD工具都支持這些模型，包括安捷倫的EEsof ADS和Genesys、Advanced Wave Research公司的Microwave Office、AWR公司的Analog Design Tool、Ansoft公司的Ansoft Designer。

具有封裝內(nèi)匹配網(wǎng)絡的典型分立射頻晶體管如圖6所示。這個匹配網(wǎng)絡通過將晶體管裸片的低輸入阻抗和輸出阻抗轉(zhuǎn)換為更實用的輸入阻抗和輸出阻抗值，來提高產(chǎn)品的易用性及性能。這些匹配網(wǎng)絡采用小直徑邦定線和金屬氧化物半導體(MOS)電容來構建，最大的射頻/微波功率晶體管包含有100到200個邦定線和幾個MOS電容。大功率RF IC則采用片內(nèi)螺旋電感、電容和傳輸線來構建匹配網(wǎng)絡。

匹配網(wǎng)絡引入了高Q值諧振電路，以進行所需的阻抗變換。邦定線陣列的輕微變化會導致諧振頻率偏移，這可能影響匹配網(wǎng)絡的特性。在許多應用中，由于邦定線僅提供封裝引腳和封裝內(nèi)半導體器件之間的導電互連，所以被看作是寄生元件的一部分。但在RF功率晶體管中，邦定線不再是寄生元件，而是設計不可分割的一部分，因此必須對其進行準確建模。

大功率RF和微波半導體晶體管一般采用氣腔封裝或超模壓塑料封裝(OMP)。這些封裝可保護內(nèi)部電路免于外界環(huán)境的影響，并有助于消除晶體管有源電路區(qū)所產(chǎn)生的熱量。此外，這些封裝還是低損耗匹配網(wǎng)絡的組成部分。在所有半導體器件中，用在無線基礎設施的晶體管產(chǎn)生的熱量最大，而且重要的是，這種自熱效應已體現(xiàn)在非線性晶體管模型中。

開發(fā)這些封裝晶體管的非線性電熱模型，使最復雜的測量和仿真技術成為可能。成功的建模還必須解決一些問題，包括匹配網(wǎng)絡中組成部分之間以及邦定線陣列之間的電磁交互作用、熱管理、器件熱模型與電模型的自相容集成，以及建立晶體管本身的非線性模型等。

飛思卡爾采用分割的方法來開發(fā)模型，在這種方法中，封裝晶體管被認為是可以分為更小組成部分的系統(tǒng)，如圖7所示。每個組件被分別建模，然后獨立的模型被集成到代表封裝器件的單一模型中。這種方法降低了計算負荷并建模復雜性，并表征了內(nèi)部器件耦合的特性。這些特性包括在最終的模型中，以提高仿真精度。

封裝晶體管模型的核心是本征晶體管的非線性模型，這個非線性模型是從與偏置有關的S參數(shù)測量中提取出來的。精密的分層(deem-bedding)技術被用來描述和去除多重性以及外部組成部分，從而提取非線性模型。飛思卡爾采用Root模型和MET型來描述非線性模型。MET模型的熱模型是通過改變裸片溫度范圍的測量來決定的，并且與非線性點模型自相容地耦合。在普通CAD工具中，MET模型是RF功率晶體管的事實標準非線性模型。

在封裝內(nèi)匹配網(wǎng)絡中，無源器件的模型是由線性S參數(shù)測量和電磁仿真決定的。利用高精度紅外(IR)顯微鏡的測量結構生成封裝和散熱器的熱模型。

當模型生成之后，通過比較模型預測與在模型生成中未被采用的獨立測量數(shù)據(jù)，開始確認模型工作的最后步驟。飛思卡爾基于其負荷拉移測量能力，制訂出一套行之有效的方法來確認它的大信號模型。本質(zhì)上說，CAD工具被用來模仿大功率器件在負載拉移測試期間觀察到的環(huán)境。在非線性諧波平衡仿真過程中，對基頻和諧波頻率下的待測器件(DUT)的負載拉移S參數(shù)進行同步，以提出負載阻抗。測量和建模能力的配合有助于優(yōu)化模型，以匹配測量結果。

圖8和圖9是與圖6類似的硅LDMOS晶體管模型確認的例子。該器件已經(jīng)被設計用于860和960MHz頻段N-CDMA、GSM和GSM/EDGE基站應用，且在典型的GSM應用中具有28V電源電壓和1,200mA靜態(tài)漏電流。該晶體管在1dB壓縮點能提供160WCW功率。該晶體管包括三個有源裸片，具有大約270mm的柵長。封裝中包括了輸入匹配網(wǎng)絡，這個T型網(wǎng)絡采用78個邦定線和MOS電容。組成組成部分的模型如前所述，然后利用這些組成部分構建完整的模型。確認部分包括了大信號模型和雙音仿真，它在脈沖條件下實現(xiàn)，以提供恒溫環(huán)境。在同樣熱條件以及輸入和輸出負載條件下進行了負載拉移測量，并將測試結果與仿真結果比較。輸出功率、三階互調(diào)失真(IM3)、功率附加效率(PAE)以及轉(zhuǎn)換器增益的測量和仿真如圖8和9所示。采用分別在最大功率附加效率和最大輸出功率下諧振的已封裝晶體管，來實現(xiàn)功率掃描或拉升測量。在測試條件范圍內(nèi)，測量和仿真結果非常吻合。

塑料封裝

大功率RF和微波半導體晶體管一般采用OMP封裝或氣腔封裝封裝。用于大功率RF和微波應用的晶體管要消耗大量的功率，因此它工作時的結溫很高。在封裝設計過程中，必須遵守嚴格的熱機械設計要求，以確保該封裝可以發(fā)散晶體管產(chǎn)生的大量熱量，而不會使其電性能下降。此外，封裝必須堅固，具有很高的機械強度以保證蜂窩基站和廣播系統(tǒng)的可靠性。

典型的氣腔封裝和OMP封裝如圖10所示。塑料封裝晶體管的內(nèi)部成分是超模壓低損耗塑料材料。雖然新的功能性更強的多級大功率RF IC具有更多引腳，但大部分大功率晶體管封裝采用兩個或四個引腳。封裝針對引腳而設計，以便放置在PCB頂層微帶傳輸線上。法蘭焊盤的背面一側(cè)接觸功率放大器的散熱器，形成與微帶線底面連接器相連的導電連接，以及與散熱器連接的導熱連接，后者使得熱量從封裝晶體管傳導出去。

氣腔封裝是最昂貴的功率晶體管封裝形式，這歸結于氣腔封裝所采用的材料。由于功率晶體管是RF功率放大器中最貴的組成部分，所以這些氣腔封裝通常是設計和材料開發(fā)過程中降低成本的目標。

過去六年以來，飛思卡爾已經(jīng)系統(tǒng)地重新對氣腔封裝進行工程化，采用新的材料進行設計，以提高性能并將降低封裝成本。2004年，飛思卡爾在其封裝中對散熱器材料做了改變，將熱性能提高了15-35%。這一性能改善使業(yè)界很快接受了改善后的封裝設計。

隨著用于大功率RF晶體管塑料封裝技術的創(chuàng)新開發(fā)，飛思卡爾進一步降低了封裝成本。采用OMP封裝解決方案，飛思卡爾可以提供在2.1GHz下具有130W功率的RF晶體管，與金屬陶瓷氣腔封裝產(chǎn)品進行競爭。迄今為止，已有超過3,000萬個超模壓封裝RF功率晶體管交付使用。此外，飛思卡爾提供超過12個不同封裝方案以及OMP封裝技術中的引腳配置，可實現(xiàn)各種功率RF IC產(chǎn)品。

這些OMP晶體管完全適用于傳統(tǒng)的大功率RF應用。封裝、材料和生產(chǎn)工藝的基本設計來自于飛思卡爾為最苛刻的環(huán)境條件而設計的大功率汽車和工業(yè)用封裝技術。這些封裝設計可達到超過1,900年的平均故障間隔時間(MTBF)。OMP封裝的機械公差很小，相對傳統(tǒng)的氣腔封裝，其公差指標有很大改善(高達50%)。很小的尺寸公差以及優(yōu)異的濕度靈敏度等級(MSL)額定值使這些封裝適合于放大器裝配的自動化PCB生產(chǎn)。

有了氣腔外殼，OMP封裝可以可靠地工作在器件結溫度超過+200℃的情況下。集成的銅散熱器提供良好的耐熱性和散熱性，并且該封裝支持無鉛引腳(RoHS)互連工藝，在+260℃回流焊工藝中具有3或更高的MSL額定值。考慮到與標準的符合性，OMP封裝已注冊成為JEDEC標準。

飛思卡爾在專門配備的熱分析實驗室評估了不同封裝類型的性能。封裝晶體管的熱性能是完整的無線基站收發(fā)信臺(BTS)所要求的系統(tǒng)級冷卻性能的一個主要因素。封裝的散熱能力由其熱阻決定，熱阻即為由消耗功率所產(chǎn)生的兩點之間的溫度差。

為獲得封裝晶體管的熱阻，飛思卡爾制訂了一套嚴格的方法，采用紅外線(IR)顯微鏡來測量工作在實際節(jié)點阻抗和信號激勵下的晶體管裸片的溫度。在顯微鏡下，裸片的溫度分布可以被看成是功率大小、偏置、匹配條件、頻率，甚至是所選擇的調(diào)制方式(例如WCDMA或IS-95)的函數(shù)。晶體管消耗60W功率的IR圖像照片如圖11所示。

使用IR顯微鏡可以定位出測量區(qū)域的最大裸片表面溫度。在熱測量期間，可以確定封裝晶體管的底部的溫度，并通過熱電偶進行監(jiān)測，或者直接在晶體管的活動單元或產(chǎn)生熱的區(qū)域進行定位，如圖12所示?？赏ㄟ^在晶體管的陶瓷蓋上鉆孔，或者除去蓋子來直接觀察裸片表面。對OMP封裝，可以刻蝕掉模壓封裝使裸片的表面暴露出來。

應用工程

飛思卡爾的大功率RF器件支持團隊包括富有創(chuàng)造力和經(jīng)驗的應用工程師，他們協(xié)助客戶對廣泛的商用工業(yè)、醫(yī)療、航空電子、廣播以及蜂窩基礎設施應用進行電路設計與故障診斷。由于現(xiàn)代RF功率放大器的系統(tǒng)級復雜性很高，這種任務已成為一種必然，并隨著通常設計周期時間的急劇減少而增加。飛思卡爾的RF應用團隊重點關注這些復雜問題，并幫助客戶在應用中使用這些器件，使飛思卡爾的晶體管方便、快速、無縫地集成到客戶的設計中。

為縮短客戶的設計周期，飛思卡爾的應用團隊已經(jīng)著手開發(fā)經(jīng)過優(yōu)化的適合GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等特定大容量應用的RF器件示范電路。這些系統(tǒng)級電路采用小尺寸的普通和商用RF器件，以及典型的組裝流程，例如回流焊、表面貼裝或器件夾具法，證明了全部RF器件系列的性能。此外還采用了電路級效率和線性增強技術，比如Doherty以及模擬預矯正(APD)方法，以便讓客戶能更好地理解不同設計方法的優(yōu)勢。

圖13為其中一個示范電路。這個電路被用來演示完整的1,800MHz GSM產(chǎn)品系列，包括驅(qū)動MW7IC18100N大功率RF的ICMMG3005 GPA。MMG3005是A類偏置InGaP HBTC，在1dB壓縮下具有+30dBm額定輸出功率。MW7IC18100N是HV7 LDMOS兩級RF IC，在1dB壓縮下具有100W(+50dBm)的額定輸出功率。綜合來看，這兩個器件創(chuàng)建了高性能的1,800MHz GSM系統(tǒng)，具有近50dB的增益、37%的線路效率，以及+46dBm輸出功率下的1.5% EVM性能，如圖14和15所示。低成本塑料封裝、緊湊的電路版圖以及使用最少的RF器件使得這一應用為成本敏感的GSM市場提供了理想的解決方案。

圖16是針對TD-SCDMA應用的RF示范電路的典型性能。該電路包括驅(qū)動MRF6S21100H分立晶體管的MW6IC2215N RF IC。MW6IC2215N是一款兩級HV6 LDMOS RF IC，而MRF6S21100H是一款HV6 LDMOS分立陶瓷晶體管。這些器件在1dB壓縮下分別具有15W和100W的額定輸出功率。盡管這些器件不是專門用于TD-SCDMA市場，但評估表明它們具有優(yōu)異的六載波TD-SCDMA性能。在+38dBm輸出功率下，線路增益為43dB，未經(jīng)校正的鄰道功率為-51.4dBc，未經(jīng)校正的相間信道功率為-52.3dBc。

除示范電路、電路設計輔助以及系統(tǒng)故障診斷之外，飛思卡爾的工程應用團隊還與建模和測量團隊密切合作，以充分展示飛思卡爾RF功率產(chǎn)品的大信號性能。由于具有RF特性、建模、封裝以及工程應用的這四個團隊，飛思卡爾不僅僅是一個器件供應商，更是一家提供全套工具來幫助客戶取得成功的公司。