GaN功率器件應(yīng)用可靠性增長(zhǎng)研究

GaN功率器件是雷達(dá)T/ R組件或發(fā)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(lái)越高,器件的長(zhǎng)期可靠性成為瓶頸。文章對(duì)雷達(dá)脈沖工作條件下GaN功率器件的失效機(jī)理進(jìn)行了分析和研究,指 出高漏源過(guò)沖電壓、柵源電壓的穩(wěn)定性以及GaN管芯的溝道溫度的高低是影響GaN功率器件長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性的主 要因素,同時(shí)給出了降低漏源過(guò)沖電壓、提高柵源電壓穩(wěn)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(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和武器裝備需求的變 化,雷達(dá)裝備需要對(duì)導(dǎo)彈、隱身飛機(jī)、臨近空間飛行 器、巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)等新的目標(biāo)進(jìn)行精密探測(cè)。上述目標(biāo)都具有反射面積小、飛行高度和飛 行速度變化范圍大、來(lái)襲空域廣等特點(diǎn),給雷達(dá)預(yù)警 探測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為了繼續(xù)保證實(shí)現(xiàn)雷達(dá) 威力等指標(biāo),對(duì)高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)提出了更高要求,需要射頻功率放大器提升輸出功率。同時(shí),艦載、機(jī) 載和星載等平臺(tái)對(duì)雷達(dá)的尺寸和重量提出了更嚴(yán)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(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種平臺(tái)和領(lǐng)域。為了更好地 滿足現(xiàn)代雷達(dá)及裝備發(fā)展需求,需要進(jìn)一步提高GaN射頻功率器件的漏源工作電壓來(lái)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(jié)溫問(wèn) 題以及長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性問(wèn)題需要研究解決。

1GaN功率放大器電路設(shè)計(jì)

GaN功率器件主要應(yīng)用在雷達(dá)T / R組件或發(fā) 射組件中,完成發(fā)射信號(hào)的放大,主要工作方式為脈 沖工作,追求長(zhǎng)脈寬、高占空比和高功率。由于T / R組件收發(fā)分時(shí)工作,為確保接收信號(hào)不受發(fā)射大功 率信號(hào)干擾,T / R組件中用于收發(fā)切換的環(huán)行器隔 離度一般小于20 dB。功率放大器在雷達(dá)處于接收 時(shí)域時(shí),如果發(fā)射通道的功率放大器的漏極電壓開(kāi) 啟,會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)電流,從而產(chǎn)生熱噪聲,影響接收通 道的噪聲系數(shù)。為了避免發(fā)射功放加電時(shí)影響接收 通道噪聲系數(shù),接收通道工作時(shí)需要關(guān)閉發(fā)射通道 的漏極電壓。同時(shí)GaN功率器件的柵壓通常為負(fù) 偏置,當(dāng)柵壓不加電而漏壓加電后,GaN功率器件的漏極靜態(tài)電流會(huì)急劇增加,從而導(dǎo)致功率管芯燒毀,因此,需要增加負(fù)壓保護(hù)電路,保證柵壓未加電時(shí)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(shí),射頻調(diào)制激勵(lì)信 號(hào)與漏壓調(diào)制信號(hào)(Vds)同步,且脈沖前后沿寬度比 漏壓調(diào)制信號(hào)略窄,漏壓調(diào)制后通過(guò)1 / 4波長(zhǎng)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(diào) 制信號(hào)同時(shí)輸入漏極調(diào)制和負(fù)壓保護(hù)電路,才能完 成漏壓Vds的輸出;柵壓Vgs經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后送給GaN功 率管芯的柵極。

2GaN功率器件失效機(jī)理

2.1電壓過(guò)沖致器件失效機(jī)理

GaN功率放大器在脈沖條件工作時(shí),為了保證 不損失射頻脈沖信號(hào)寬度,一般漏極電壓脈寬大于 信號(hào)脈寬,信號(hào)脈寬嵌套在漏極電壓脈寬中間。在 輸入微波信號(hào)突然關(guān)斷時(shí),功放的漏極電流會(huì)迅速 減小,由于偏置線存在著感抗Ls會(huì)阻止電流發(fā)生突 變,此時(shí)功率放大器在關(guān)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(fā)射波形時(shí)域上表征為發(fā)射射頻 脈沖下降沿。GaN 功率管或芯片具有很高的射頻開(kāi) 關(guān)速度,上升下降沿往往能達(dá)10 ns以下量級(jí)。

器件正常工作時(shí),動(dòng)態(tài)負(fù)載線在擊穿電壓之內(nèi)。當(dāng)有大的過(guò)沖電壓時(shí),工作點(diǎn)電壓拉高,動(dòng)態(tài)負(fù)載線 達(dá)到或接近器件開(kāi)態(tài)擊穿點(diǎn),如圖2所示,當(dāng)過(guò)沖電 壓大于器件擊穿電壓后將導(dǎo)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(guò)公 式推算,過(guò)沖電壓應(yīng)滿足公式(2) [4] (Vknee為功放膝 點(diǎn)電壓,GaN膝點(diǎn)電壓一般為5 V左右)。

即便漏源過(guò)沖電壓沒(méi)有超過(guò)GaN功率器件的 擊穿電壓,也會(huì)導(dǎo)致GaN功率器件管芯漏端柵邊緣 的勢(shì)壘層存在很高的垂直電場(chǎng),從而在該區(qū)域產(chǎn)生 很強(qiáng)的拉伸力。長(zhǎng)期工作后,拉力超過(guò)管芯材料的 承受極限時(shí),引起管芯晶格斷裂,導(dǎo)致管芯性能退化,影響長(zhǎng)期工作可靠性。

2.2柵流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)可靠性影響

GaN功率管在雷達(dá)T/ R組件發(fā)射功率放大器中 的應(yīng)用一般為AB類(lèi)工作且飽和深度較高。當(dāng)輸入 功率超過(guò)功率管的線性工作區(qū)間時(shí)便會(huì)產(chǎn)生柵流,對(duì) 應(yīng)的柵極電壓振幅、漏極電流及對(duì)應(yīng)的柵極電流如圖3所示。由于輸入功率過(guò)剩,柵電壓將超過(guò)正常工作 范圍,超出部分用虛線表示,此時(shí)圖3中的點(diǎn)P和點(diǎn)Q只表示柵電壓的擺幅范圍,不代表實(shí)際的負(fù)載線。隨著輸入功率的增大,剛開(kāi)始出現(xiàn)的為負(fù)方向的柵電 流,如圖3(a)所示。進(jìn)一步增大輸入功率,正向柵電 壓將超過(guò)柵二極管自建電場(chǎng),此時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致實(shí)際加到功率管柵極的柵壓發(fā)生變化,從而引 起功率管工作點(diǎn)的漂移和功放的不穩(wěn)定。

2.3工作結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致器件失效機(jī)理分析

GaN器件在雷達(dá)中主要應(yīng)用于大功率發(fā)射組 件,高壓、高功率、長(zhǎng)脈寬和高占空比是其應(yīng)用特點(diǎn)。這種應(yīng)用特點(diǎn)導(dǎo)致功率管管芯會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,而這些熱量如果不能及時(shí)耗散,則會(huì)引起器件管芯 結(jié)溫明顯升高。管芯結(jié)溫越高,就會(huì)越快地加速管芯內(nèi)部歐姆接 觸以及肖特基的退化、金屬電極與材料的相互擴(kuò)散以 及表面鈍化層介質(zhì)的退化,影響長(zhǎng)期工作可靠性。另外,高溫下熱電子發(fā)射因?yàn)閯?shì)壘高度的降低 而變得更為強(qiáng)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(yīng)用可靠性提升措施

3.1漏極電壓過(guò)沖管理

由公式(1)可知,電壓過(guò)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(guān),降 低漏極電壓過(guò)沖主要手段有:

首先,可以通過(guò)減小寄生電感的方式來(lái)減小漏 極電壓過(guò)沖。而減小寄生電感的方式主要有加粗饋 電線來(lái)減小饋電電感或1 / 4波長(zhǎng)線的電感量或在漏 極調(diào)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(shí)序,同時(shí) 過(guò)大的漏極電容還會(huì)導(dǎo)致發(fā)射脈沖下降沿過(guò)大。

其次,可以通過(guò)減小功放漏極電流變化( di)的 方式來(lái)減小漏壓過(guò)沖。其主要方式為提升柵壓來(lái)提 高功率管的靜態(tài)電流,減小微波信號(hào)關(guān)斷的瞬間電 流變化。這種方式會(huì)導(dǎo)致GaN功率放大器的工作 效率降低,另外釋放靜態(tài)電流后,使得器件的增益提 高導(dǎo)致工作穩(wěn)定性下降,容易產(chǎn)生器件自激等問(wèn)題。

第三,可以通過(guò)時(shí)域波形整形來(lái)減緩發(fā)射脈沖 下降沿速度改善漏壓過(guò)沖。具體說(shuō)就是利用GaN功率放大器的漏極調(diào)制電路的輸出漏壓調(diào)制信 號(hào)作為最終射頻輸出波形,射頻激勵(lì)脈沖波形套在 脈沖調(diào)制波形的外面,如圖4所示。

利用電源調(diào)制下降沿較緩的特點(diǎn)降低射頻輸出 信號(hào)的開(kāi)關(guān)速度,可使得GaN功率器件的發(fā)射射頻 輸出信號(hào)下降沿變?yōu)?00 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(shí)的電壓過(guò)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(guò)沖電壓達(dá)90 V以上。當(dāng)器件的工作頻率為P波段時(shí),漏極饋電1 / 4波長(zhǎng)線因電尺寸因素產(chǎn)生的電感量為S波段功 率器件的好幾倍,如不采取抑制過(guò)沖手段,在管芯的 漏極產(chǎn)生的過(guò)沖電壓就會(huì)明顯超過(guò)GaN管芯的正 常工作電壓。

當(dāng)上升、下降沿變?yōu)?00 ns時(shí),過(guò)沖電壓降為60 V左右,兩種下降沿對(duì)應(yīng)的漏壓過(guò)沖幅度比較如 圖6所示。

3.2柵壓穩(wěn)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(lián)有電阻R1 ,假設(shè)柵流為Ig,則GaN功率管柵極電壓Vgg= -2. 8+R1×Ig,當(dāng)出現(xiàn)柵流 后,GaN功率管柵極電壓會(huì)偏離正常工作電壓,使它 的工作點(diǎn)發(fā)生偏移,可能偏離其穩(wěn)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(huì)在GaN功率管的柵極電路附 近增加一級(jí)柵極分壓電路來(lái)調(diào)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(wěn)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(wěn)壓器的電流能 力應(yīng)在器件最大柵流范圍內(nèi),并選擇可提供雙向柵 流的穩(wěn)壓器,可以很好地提高柵極電壓穩(wěn)定性。

3.3管芯工作結(jié)溫管控

GaN功率管管芯結(jié)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(yīng)用 時(shí)的不同管芯之間的幅相平衡度、管芯襯底的熱導(dǎo) 率、功放模塊的熱導(dǎo)率、焊接材料或界面材料的熱導(dǎo) 率、冷卻換熱效率等。同時(shí),在實(shí)際工程應(yīng)用中需要 考慮到焊接工藝中的溫度梯度、導(dǎo)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(yīng)用層面來(lái)說(shuō),改善GaN功率管 管芯結(jié)溫的措施主要有: 1)通過(guò)管芯或匹配電路設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)改善結(jié)溫。主要手段有:①通過(guò)提升功率放大器效率來(lái)降低熱 耗,改善管芯工作結(jié)溫;②通過(guò)調(diào)節(jié)管芯漏極與匹配 電路金絲來(lái)改善管芯內(nèi)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(jié)溫的均勻性來(lái)改善管 芯結(jié)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(dǎo)率 為1 5 0 W / ( m · K ) , SiC襯 底 的 理 論 熱 導(dǎo) 率 為490 W/ (m·K),適合作為更高功率量級(jí)的GaN功 率管芯襯底。未來(lái)隨著管芯功率密度進(jìn)一步提升,需要采用更高熱導(dǎo)率材料(如金剛石材料等)作為管芯襯底材料。金剛石熱導(dǎo)率高達(dá)1350 W/ (m·K),能夠大幅提升管芯的功率密度,改善管芯結(jié)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(dǎo)熱率以及功放模塊外殼材料 的導(dǎo)熱率、管芯焊接材料導(dǎo)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(shù)的匹配性,一般采用鋁硅 材料,但鋁硅材料的導(dǎo)熱性能相比普通鋁材較差,目 前也在考慮其他更高導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)電膠粘接和納米銀漿 粘接技術(shù),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(dǎo)電膠雖然工藝簡(jiǎn)單,但導(dǎo)熱率較 低,僅適用于低功率功率管,納米銀漿粘接技術(shù)由于 在高低工作結(jié)溫條件下均具有較低接觸熱阻成為未 來(lái)技術(shù)趨勢(shì)。

圖8給出了一款S波段GaN功率微組裝載片 在雷達(dá)T / R組件或功放組件中應(yīng)用的導(dǎo)熱路徑圖。

表1給出了T / R組件或發(fā)射組件目前常用熱 層材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)對(duì)比情況。

4)液冷技術(shù)改進(jìn)提高換熱效能來(lái)改善GaN管 芯結(jié)溫。目前主流手段為在管芯正下方的冷板設(shè)計(jì) 流道通常規(guī)冷卻液。流道設(shè)計(jì)方面在熱源下部的流 道內(nèi)嵌入矩形強(qiáng)化肋,利用矩形肋片增加擾動(dòng)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(shù)正在成為趨勢(shì),T / R組件或發(fā) 射功放組件冷板的流道中的冷卻液為液態(tài)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(guò)高區(qū)域的熱傳遞速度來(lái)改善冷板局部溫 度高導(dǎo)致的管芯結(jié)溫升高的問(wèn)題。

未來(lái),基于SiC襯底或金剛石襯底的片內(nèi)微流 散熱技術(shù)將得到更多應(yīng)用。該設(shè)計(jì)技術(shù)是利用襯底 背面和熱沉的流道相結(jié)合的方式,使熱沉中的流體 通過(guò)分流直接流經(jīng)芯片熱源區(qū)域下端的襯底,而內(nèi) 部流體則采用的是冷凍液,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)芯片近結(jié)區(qū)的 高效熱交換冷卻的目的。

3.4長(zhǎng)期工作可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

GaN功率器件使用壽命高達(dá)百萬(wàn)小時(shí)以上,元器 件壽命特征的評(píng)估,采用正常應(yīng)力下的長(zhǎng)期壽命試驗(yàn) 時(shí)間上無(wú)法實(shí)現(xiàn),所以需要開(kāi)展加速壽命試驗(yàn)來(lái)在短 期內(nèi)驗(yàn)證GaN功率器件的長(zhǎng)期工作可靠性。同時(shí)還 可根據(jù)加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題指導(dǎo)GaN管 芯或外圍電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)和管芯加工工藝改進(jìn)。

GaN功率器件加速壽命試驗(yàn)可分為直流應(yīng)力試 驗(yàn)和射頻應(yīng)力試驗(yàn),由于射頻應(yīng)力試驗(yàn)更能反映功 率器件在實(shí)際工作過(guò)程中的應(yīng)力情況,因此一般采 用加射頻方式進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。另外,半導(dǎo)體器件的失效大多是由于器件界面 狀態(tài)的變化和其它物理化學(xué)因素所引起。例如表面 態(tài)缺陷增加使得器件反向漏電增大,擊穿電壓下降;表面狀態(tài)的蛻變,使場(chǎng)效應(yīng)晶體管載流子遷移率降 低;設(shè)計(jì)、材料、工藝缺陷引起性能退化等等。而物 理化學(xué)反應(yīng)速率與管芯工作的溫度等應(yīng)力相關(guān),通 ?？梢杂没瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)中的阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程來(lái)表達(dá),其形式如下:

式中:dM/ dt表示溫度為T(mén)時(shí)的物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速率;Ea稱(chēng)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(shù);A是常數(shù)。按以往類(lèi)似器件的經(jīng)驗(yàn),取激活能Ea = 1. 6 eV,根據(jù)式(4)可推導(dǎo)不同溫度時(shí)的加速系數(shù)τ:

式中:T1—器件正常偏置工作狀態(tài)下的溝道溫度;T2—器件高溫壽命加速狀態(tài)下的溝道溫度,一般為 器件能夠達(dá)到最高工作結(jié)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(yù)計(jì)值為λ≤0. 8×10-6/ h;采 取了過(guò)沖電壓控制、柵壓控制以及結(jié)溫控制等措施 后,在最大脈寬和工作比以及70 ℃熱臺(tái)條件下,測(cè)得管芯的最高結(jié)溫為145 ℃ 。在130 ℃熱臺(tái)(設(shè)備 所限)通過(guò)提高功率載片的脈寬和工作比方式將管 芯的最高結(jié)溫提升至220 ℃ (紅外熱像儀實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)),算出τ= 859。依據(jù)GB5080. 4中對(duì)可靠性測(cè)定 試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)所規(guī)定的方法,置信度60%時(shí)器件失 效率計(jì)算公式如下:

其中,X為置信度符號(hào);r為失效數(shù);T?為試驗(yàn)累計(jì)元件小時(shí)數(shù)。

得出累計(jì)壽命試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)滿足:T?/ τ≥1340 h,采用4只樣品進(jìn)行試驗(yàn),單個(gè)樣品平均試驗(yàn)時(shí)間為 不少于335 h。功率載片試驗(yàn)通過(guò)的判決條件為規(guī) 定時(shí)間內(nèi)輸出功率幅度下降不超過(guò)1 dB即為通過(guò)試驗(yàn)。實(shí)際考核已達(dá)1000 h,功率載片的輸出功率 滿足要求,遠(yuǎn)超出其可靠性預(yù)計(jì)值。

4 結(jié)論

GaN高功率器件的長(zhǎng)期可靠性主要受高漏壓電場(chǎng)應(yīng)力、柵壓穩(wěn)定性以及熱應(yīng)力等因素的制約。通 過(guò)對(duì)GaN高功率器件在脈沖應(yīng)用背景下產(chǎn)生高漏 極過(guò)沖電壓產(chǎn)生機(jī)理分析、影響柵壓穩(wěn)定性機(jī)理分 析以及過(guò)高管芯結(jié)溫產(chǎn)生分析,給出了GaN高功率 器件在實(shí)際工程應(yīng)用情況下采取的管控措施以提升 長(zhǎng)期工作可靠性。對(duì)基于GaN高功率器件的發(fā)射 功放組件設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

來(lái)源：微波學(xué)報(bào) 第39卷第1期

作者：江元俊、王衛(wèi)華、鄭新(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所)