星载高可靠性Ku波段GaN功率放大器芯片_肖玮.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE星载高可靠性 Ku波段 GaN功率放大器芯片肖玮1 金辉1 余旭明1，2 陶洪琪1，2（1 南京电子器件研究所，南京，210016）（2 微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，南京，210016）20220628收稿，20221222收改稿摘要：基于星载高可靠性的应用背景，采用 0.20 m GaN HEMT 工艺研制了一款 12 V 工作电压的 Ku 频段功率放大器芯片。利用电热结合的分析方法，确定了管芯结构及工作电压。基于 Load-pull测试获得 GaN HEMT 管芯的最佳输出功率和最佳效率阻抗，设计了一种带谐波匹配的高效率输出匹配电路，并通过引入有耗匹配，研制出了低压稳定的级间匹配电路。芯片面积为 2.8 mm2.6 mm，管芯漏极动态电压仿真峰值低于 30 V，实测结温小于80，满足宇航级降额要求。功率放大器在17.518.0 GHz、漏压12 V（连续波）条件下，典型饱和输出功率2.5 W，附加效率 38%，功率增益大于 20 dB，线性增益大于 27 dB，满足星载高效率要求。关键词：GaN；Ku波段；功率放大器；高可靠性；低压稳定中图分类号：TN72 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)01001605Spaceborne High Reliability Kuband GaN Power Amplifier MMICXIAO Wei1 JIN Hui1 YU Xuming1,2 TAO Hongqi1,2（1 Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing，210016，CHN）（2 Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory，Nanjing，210016，CHN）Abstract:Based on the background of spaceborne high reliability，a Ku-band power amplifier MMIC working at 12 V operating voltage was presented，which was fabricated by 0.20 m GaN HEMT technology.The structure and operating voltage of the GaN HEMT were determined by the analysis method of thermoelectric combination.Based on the optimum power impedance and optimum efficiency impedance，which obtained by load-pull system，a high PAE output matching circuit with harmonic suppression was designed.And a low-voltage stable inter-stage matching circuit was designed by introducing loss-matching.The MMIC size is 2.8 mm2.6 mm.The simulated RF voltage of drain is less than 30 V and the measured junction temperature is less than 80，which can meet the requirements of aerospace classderating.The typical saturated output power is 2.5 W，the power added efficiency is greater than 38%，the power gain is greater than 20 dB and the linear gain is greater than 27 dB under the condition of 17.5-18.0 GHz and 12 V（CW）drain bias.Key words：GaN；Kuband；power amplifier；highly reliable；lowvoltage stable引 言近年来，GaN 功率芯片凭借其高功率密度、高击穿电压、高热导率等显著优点，在电源、微波功率等领域都有重要应用。星载应用环境与地载、舰载等其他应用环境相比，除了要求芯片具有高性能，还要求芯片具有更高的可靠性及寿命。由于集成电路芯片尺寸很小，在管芯结点上会存在很高的温度，高结温是对芯片电路破坏性最大的应力。为减宽禁带半导体 联系作者：E-mail:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.0031期肖玮等：星载高可靠性 Ku波段 GaN功率放大器芯片小高结温对芯片电路的破坏，国内外常采用的方法是扩大芯片面积、增加管芯栅间距、提高散热1，以及优化去耦电路、减小瞬态电流冲击、降低瞬态结温2。但这些高可靠性的实现方法通常会使芯片性能偏离最佳状态。此外，电压击穿是导致晶体管失效的另一主要原因，因此，器件的工作电压也需要满足降额要求。器件通常会存在一个最佳的降额范围，在此范围内，器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善，星载应用背景下，最高结温和最大击穿电压的降额标准一般需要达到级最大额定值的 70%3。但低工作电压带来的问题是器件的功率增益降低，稳定性变差。因此需要解决稳定性设计、电压结温降额的可靠性设计以及高效率的电路设计等关键技术。国内外提出的高效率功放设计技术路径主要有：采用谐波控制进行效率的提升4；采用负载牵引的技术方法进行电路设计5；利用波形工程或开关类的电路拓扑等实现低功耗、高效率6。但这些高效率文献中都没有进行可靠性的分析，芯片性能提升与可靠性分析常常被分割开来，不利于实际应用的需求。为解决星载高可靠性及高效率之间相互制约的问题，本文基于南京电子器件研究所 0.20 m GaN HEMT 工艺，针对星载的级降额需求，采用电热结合的分析方法，对工作电压及管芯结构进行选取，并采用高效率输出匹配及有耗级间匹配，兼容谐波控制和负载牵引的设计，设计了一款满足宇航级降额要求的高性能、高可靠性的功率放大器芯片。1 器件设计 本文采用的 0.20 m GaN HEMT 器件的沟道温度（Tch）最大额定值为 225，最大源漏击穿电压为 60 V，针 对 宇 航 结 温 级 降 额 的 要 求，根 据GJBZ 351993 中规定，晶体管结温需小于 110，工作电压需满足 0.7倍的安全电压（28 m时，结温1。最终实现每级管芯都稳定，各级的稳定性因子仿真曲线如图 5（c）所示。2.2 高效率设计对管芯进行负载牵引可以得到最佳输出功率阻抗和最佳效率阻抗5，如图 6 所示。将功率放大器的阻抗匹配点选取在最佳效率点与功率点之间，可以兼顾功率与效率指标。另外，由于稳定性网络的增加会加大电路的损耗、降低增益，从而导致效图 3 结温的仿真分析：（a）ANSYS 仿真模型；（b）栅栅间距变化对管芯结温的影响Fig.3 Simulation analysis of junction temperature:(a)ANSYS simulation model;(b)Influence of grid spacing on junction temperature图 4 三级放大器工作原理图Fig.4 Schematic diagram of threestage amplifier图 5（a）第一级稳定性网络电路；（b）第三级稳定性网络电路；（c）各级的稳定性因子仿真曲线Fig.5(a)First stage circuit topology of stability network；(b)Third stage circuit topology of stability network；(c)Stability factor simulation curves of each stage181期肖玮等：星载高可靠性 Ku波段 GaN功率放大器芯片率恶化。为了使宇航级芯片有较高的效率，在输出匹配端采用四分之一波长开路线进行二次谐波（2f0）控制，该结构对谐波抑制和效率提升的影响如图 7 所示，由图可见，电路在 35 GHz 附近实现了谐波抑制，并且效率提升 3%以上。2.3 电压波形降额仿真在频率为 17.7 GHz、12 V 工作电压条件下，采用 ADS 中谐波平衡仿真 HB 控件，对功放电路中的三级管芯进行输出端动态电压波形仿真，仿真结果如图 8 所示，三级管芯输出动态电压的最大值都小于 30 V，处于级降额的安全电压（42 V）以内。2 测试结果及分析 功率放大器采用南京电子器件研究所 0.20 m GaN HEMT 工艺进行加工制作，芯片实物及测试夹 具 照 片 如 图 9 所 示，芯 片 尺 寸 为 2.8 mm2.6 mm。在栅压 VG=-2.2 V、漏压 VD=12 V 的工作条件下，在 17.518.0 GHz 频带内，当输入功率Pin=-15 dBm 时，功率放大器的线性增益27 dB，输入驻波2。当输入功率 Pin=14 dBm、连续波工作条件下，功率放大器的输出功率达到 2.5 W，附加效率为 38%，如图 10所示。在栅压 VG=-2.2 V、漏压 VD=12 V、耗散功率Pdiss=6 W、热台温度Tc=70 的条件下，芯片红外热成像测试如图 11（a）所示，芯片的结温没有超过100，满足结温级降额110 的要求。当热台温度 Tc=50 时（星载环境温度一般控制在 50），实测芯片结温不超过 80，红外测试如图 11（b）所图 6 665 m GaN HEMT负载牵引阻抗位置Fig.6 Impedance position of 665 m GaN HEMT loadpull results图 7 四分之一波长开路线仿真结果：（a）对二次谐波的抑制；（b）对效率的提升Fig.7 Simulated results of open-circuit quarter wavelength line:(a)Suppression of second harmonic;(b)Improvement of PAE图 8 17.7 GHz时各级管芯输出动态电压摆幅仿真结果Fig.8 Simulated results of dynamic voltage swing of each stage HEMT at 17.7 GHz图 9 芯片实物照片及测试夹具Fig.9 Photo of the chip and the test fixture19固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷示。GaN HEMT射频加速寿命实验7中的研究成果表 明：按 照 阿 伦 尼 乌 斯 方 程，外 推 150 时 GaN HEMT 的平均寿命 MTTF1505.3107 h，125 时的平均寿命MTTF1257.2108 h。因此结温80 时的芯片平均寿命 MTTF80充分满足星载体系的寿命需求。3 结 论 基于 0.20 m 的 GaN HEMT 工艺，设计了一款低压工作的星载高可靠性功率放大器芯片。在17.518.0 GHz工作频带内，低漏压 12 V 连续波工作条件下，芯片的典型饱和输出功率为 2.5 W，附加效率为 38%，功率增益大于 20 dB，线性增益大于27 dB。管芯漏极射频电压小于 30 V，当热台温度Tc=50 时，芯片结温小于 80，满足宇航使用