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2008年第1期
功率放大器可靠性的新标准

The New Standard of Reliability for Power Amplifiers

Silicon Laboratories Inc. Craig Andrews

摘要:信号传输过程的负载周期,多只天线的整合使得手机对散热要求日益严格,厂商必须确保功率放大器不会受到温度过高的影响。本文给出了平均故障时间的计算方法、热模型的建立和一套用来排除组件寿命不确定性的电路,还就未来如何改善功率放大器的可靠性提出了具体建议。



近年来,功率放大器制造商一直在努力解决产品可靠性的问题,他们所取得的成果也各有不同。2001年,厂商开始将功率控制功能与功率放大器整合在一起,这种做法使得生产良率大幅改善。新技术的出现通常会以五年为周期,因此现在应该是出现另一波创新高潮的时刻。

移动电话对于散热要求日益严格,这是因为信号传输过程的负载周期很大,厂商还可能将多只天线整合到手机内。产业趋势的改变迫使厂商必须确保功率放大器不会受到温度过高的影响。

功率放大器的可靠性需要进一步改善。传统的可靠性评估方式主要依赖有限的热模型以及平均故障时间 (MTTF) 等统计资料,它们通常会以特定温度下的平均故障时间来代表产品的可靠性,这种做法其实并不适当,因为并不知道实际操作时的接合温度。为了确保功率放大器的长期操作可靠性,设计人员必须进一步提升产品的品质。

业界多半利用广为接受的统计方法来预测功率放大器的可靠性。不幸的是,制造商在评估时所依据的参数却可能有所不同,例如有些制造商只引用活化能(activation energy),有些则使用平均故障时间。然而可靠性是一种多面向的问题,不能只由某种属性来代表——想要了解产品可靠性,就必须了解可靠性的计算方式。Arrhenius方程式是组件可靠性的基本计算公式:

公式(略)

其中:
t1=温度T1的平均故障时间
t2=温度T2的平均故障时间
Ea=活化能 (制程特性)
T1=计算t1时的温度(开氏温度)
T2=计算t2时的温度(开氏温度)
方程式(1)会根据已知的平均故障时间 (t1)、故障活化能 (Ea) 和故障温度 (T1) 来计算温度为T2时的平均故障时间 (t2)。活化能是让半导体组件出现特定故障现象的所需能量,方程式(1)经过整理后可得到方程式 (2),它以平均故障时间 (MTTF) 来代表产品寿命。

公式(略)

将方程式 (2) 绘制成温度关系图即可看出可靠性与温度之间的关联性。图1是两种不同制程的平均故障时间,它们在125℃时的平均故障时间相同,唯一区别是活化能,其中一种制程的活化能为1.0 eV (电子伏特),另一种制程的活化能则为1.8 eV。

从图1可清楚的看出,可靠性与组件操作温度的关系非常密切,例如活化能较高的制程虽在温度低于125℃时有较长的寿命,但当操作温度达到150℃时,低活化能制程的操作寿命就会比高活化能制程的寿命多出30亿小时。图1曲线的斜率代表该制程的活化能,因此曲线相对于温度的斜率越大,就表示其故障率随着温度增加的越快。

图1 平均故障时间与温度的关系(略)

有些工程师以活化能代表制程的品质,还有些工程师会直接引用特定温度下的平均故障时间。从前述分析可清楚看出这两种观点都是过度简化的可靠性表达方式:在判断最佳活化能之前必须先考虑组件的操作温度;同样,在引用平均故障时间时,也必须引用最恶劣操作温度下的平均故障时间。这表示在评估可靠性时,必须同时考虑组件的操作温度以及制程固有的故障率。


功率放大器的接合温度会受哪些因素影响

类似于欧姆定律的热模型,是最常用的峰值接合温度分析法,它会以电流源 (单位为瓦特) 代表任何热源,同时为所有材料指定热阻抗 (单位为℃/W),这些材料还能储存热量,它们称为热容量 (J/℃),并以电容来代表。

图2是功率放大器的单晶粒封装模型。在执行静态分析时,应将电容忽略,此时接合温度就如同方程式 (3) 所示,相当于环境温度Ta加上功耗与系统热阻抗的乘积。动态分析则必须将热容量一并列入考虑。

公式(略)

图2 单晶粒功率放大器的热线路图(略)

将组件的参数代入方程式(3)即可求出接合温度,例如无线网络功率放大器RF3220的参数值为:Rth=76 ℃/W;P_diss = 0.997 W;Ta = 85 ℃,将其代入方程式即可得到接合温度为160.8℃。如前所述,接合温度会受到功耗的影响,只要偏压电流、输出功率或效率改变,功耗就会跟着改变,使得接合温度出现变化。

上述分析适用于封装导热性良好并在250 mW输出功率下操作的功率放大器。由于无线网络输出功率较小,设计人员很容易将温度控制在适当范围内,使产品拥有更长寿命。

图3 阻抗不匹配时的功率流动路径(略)

前述计算都假设负载为50 ,图3则是功率放大器在恶劣条件下工作的例子,它假设天线阻抗不匹配 (负载不等于50 )并导致部分功率反射回功率放大器。阻抗不匹配的情形若很严重,从天线辐射出去的功率就会变得很少。由于物理定律要求能量守恒,反射回功率放大器的能量最终会以热量的形式散逸;反之,功率放大器若因这些反射功率而温度升高,就表示电话真正送出的功率并不多。必须注意的是在这些条件下,电话可能会因为发射功率不足发生断线现象。

组件温度究竟会受到阻抗不匹配的多大影响,主要是由其所采用的制程技术决定。硅芯片等热导体的热阻抗很小,因此散热效率极高;GaAs等热绝缘体的导热性很差,故其温度在阻抗不匹配情形下通常会变得较高。
要充份体会散热管理的重要性,就应考虑GSM功率放大器在最恶劣条件下的操作,这有助于了解温度升高对于组件可靠性的冲击。
下面的例子代表最恶劣的操作条件,设计人员在分析时应将其列入考虑:
(1)GSM功率放大器的传送功率为34.5 dBm (最大功耗);

(2)工作效率50% (电源电压很高时,实际效率还可能更低);

(3)层压封装 (laminate package,热阻抗值最大);

(4)10:1输出阻抗不匹配 (最恶劣条件下的负载阻抗);

(5) 50%负载周期(GPRS class 12);

(6) 环境温度85℃。

业界领导厂商从1999年起就了解到层压基板的问题很多,因此根据层压封装的热阻抗进行计算最能显示组件在恶劣条件下的操作情形,但由于功率放大器制造商并未公布层压封装的热阻抗值,因此下面将以导线架封装的相关参数进行计算。我们将使用RF3220的参数数据,因为它是采用导线架封装的异质接合双极晶体管 (heterojunction bipolar transistor)。

利用方程式 (2) 和 (3) 可计算出理想条件下的平均故障时间约为8 105年,典型操作条件下则为1.9 103年,最恶劣条件下的平均故障时间则减少至仅约1年;若以层压封装的热阻抗和动态热模型进行计算,那么平均故障时间还会进一步缩短。

值得注意的是平均故障时间仅代表组件从开始到发生故障的平均时间,要了解最恶劣条件下的故障会于何时出现,必须考虑这项统计资料的分布情形。标准品质程序规定制程能力 (Cpk) 为1.5,这相当于4.5个标准差。对于所讨论的制程,其平均故障时间的标准差在对数坐标上为0.6。由于必须在对数坐标减掉4.5个标准差,而对数坐标的减法又相当于线性坐标的除法,因此前述的所有平均故障时间都要除以4.5 100.6,这表示最恶劣条件下的故障时间实际上比平均故障时间还要减少17.92倍。这些结果显示若将最恶劣条件以及制程所导致的寿命时间分布列入考虑,功率放大器的实际寿命可能从原来的几千年缩短到少于一个月。

到目前为止,对于热模型的讨论都没有考虑功率放大器的实际应用环境。在真实世界里,功率放大器会安装到电路板上,该电路板则会被热阻抗很高的封装材料包起来,功率放大器四周还会有许多不同的热源。
要精确分析移动电话内的功率放大器接合温度,必须建立图4所示的模型,其中每颗组件都必须由一个会散发热量的功率源代表。

图4 包含四个热源的移动电话热模型(略)

从图4很容易看出移动电话的热模型非常复杂,几乎不可能以人工方式进行计算,需要三度空间热仿真软件才能精确预测接合温度的最大值;换言之,要精确预测功率放大器在手机内的寿命时间几乎是不可能的任务。

如果功率放大器设计采用GaAs等热阻抗较高的制程技术,那么仿真结果的精确度还会变得更糟,这是因为GaAs的热阻抗可达到硅芯片三倍。除此之外,GaAs的热阻抗还会随着温度而改变,接合温度升高,热阻抗也会变大,如果设计人员使用的热模型是从理想环境推导出来,那么它就可能出现极大误差。根据其他深入分析的结果,许多组件因素都会增加这类模型的复杂性,这些因素包括:

(1) 射极指状结构(emitter finger)的间距会对热耦合造成重大影响;

(2)GaAs异质接合双极晶体管的自热特性;

(3)偏压电流可能导致组件的某个部份温度特别高;

(4) 偏压电流的变动;

(5)较长的射极指状结构会使得整个组件出现较大的热梯度,同时让射极指状结构的某些部份出现热失控的现象;

(6)需要非对称组件结构才能维持均匀的温度分布。
功率放大器仍是手机故障率最高的零件,其原因从热模型的复杂性和它对于温度的极端敏感性即可看出。因此,改善功率放大器的可靠性变得非常重要。目前有两种方法能够解决这个问题,第一种方法是建立更复杂的模型,利用它来精确预测最恶劣条件下的接合温度。然而建模并不能解决问题,它只能预测故障何时发生。第二种方法则是以特别方法设计功率放大器,使其温度永远不会升高到危险地步,这种做法应成为新一代功率放大器的可靠性标准。

图5 过热保护电路(略)

过热保护电路是解决这个问题的简单方法,设计人员可将温度传感器放在晶粒旁边,由它来侦测接合的最大温度。温度传感器的设计有许多方式,图5即是一例:通过晶体管的电流会因为温度改变而出现某些变化,这个变化电流会在电阻上形成电压变动,对数放大器会感测这个变动电压,然后产生正比于温度的输出值,最后再由比较电路提供误差值输出。当温度超过默认值时,误差输出就会改变状态,代表此时应将功率放大器关掉。这个电路的输出可用来驱动某种禁能电路,由它来限制接合的最大温度。

此电路确保功率放大器永远不会进入可能导致组件寿命大幅缩短的危险操作区,这样就能免除复杂困难的建模需求,并协助降低功率放大器的瑕疵率。多数功率放大器模块都包含许多芯片,故让功率放大器内建保护电路以确保产品可靠性的做法也应成为业界标准。

温度传感器的位置需视制程技术而定,若组件采用硅芯片等热阻抗很小的制程技术,传感器的位置就变得不重要,因为硅芯片可将热量均匀散开。但若组件采用GaAs之类热阻抗很高的制程技术,温度传感器的位置就应尽量靠近晶粒最热的部份。

功率放大器若未包含过热保护电路,则为其建立模型时就要非常小心。如前所述,许多因素都必须纳入模型才能得到精确的结果,某些制程的平均故障时间估计值也可能出现不一致的情形。

尽管科技发展已有长足进步,我们仍须思考如何继续改善功率放大器品质。移动电话整合的功能越来越多,因此在加强射频单元时,其成果必须能让工程师把更多资源用于新增功能,而非局限在射频电路。要达成这个目标,可能的做法包括:

(1)确保组件资料表的全部规格都适用于所有操作条件 (温度、电压等) 。

(2)改善功率放大器的额定湿度敏感性 (moisture sensitivity)。

(3)增加电压过载保护电路,以便在阻抗不匹配时保护功率放大器。


结论

根据现代品质标准,组件设计必须避免任何可能导致损坏的操作模式。目前所有电路设计都已遵循这项标准,除了功率放大器之外。

设计人员如果选择了没有过热保护电路的功率放大器,那么他们应要求供货商提供该组件在边界操作条件下 (corner lots) 的平均故障时间资料,其中包括偏压电流、输出功率和效率的各种极端组合。除此之外,功率放大器供货商还须提供50%负载周期等最恶劣操作条件以及10:1 驻波比等最恶劣电流下的平均故障时间资料。供货商也应提供平均值和标准差的信心值等各种信心区间资料,这应该包括所有故障平均时间资料的标准差,它们可用来计算这些统计资料的信心值。最后,供货商应提供以晶粒最热部份为参考点的全封装热阻抗和热容量。

要搜集这么多资料并不容易,设计人员应该采更简单有效的方法。功率放大器应能监测自己的温度,并在温度超过容许范围时减少操作量,这种设计方法应该成为功率放大器可靠性的新标准。

2005GEC.7
         
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