周　駿，劉　偉，盛　重，沈　亞

（ 1. 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，南京 210016；2. 空軍駐江蘇地區(qū)軍事代表室，南京 210016；3. 南京電子器件研究所，南京 210016）

一種T/R組件熱場問題的研究

周駿1，3，劉偉2，盛重3，沈亞1，3

（ 1. 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，南京 210016；2. 空軍駐江蘇地區(qū)軍事代表室，南京 210016；3. 南京電子器件研究所，南京 210016）

T/R組件的熱設計是有源相控陣雷達的核心技術之一。文章提出了針對高密度組件的各種散熱措施，采用熱仿真軟件對T/R組件溝道溫度進行仿真研究，并利用紅外熱分析儀進行測試驗證，并將仿真結果與實驗結果進行對比，兩者結果吻合較好，滿足T/R組件的使用要求。

T/R組件；熱設計；高密度

1　引言

有源相控陣是近年來正在迅速發(fā)展起來的雷達新技術，是提高雷達在惡劣電磁環(huán)境下對付快速、機動及隱身目標的一項關鍵技術。在有源相控陣雷達的天線內(nèi)部，密布著成百上千個T/R組件，每個組件都能進行信號接收與對外輻射的功能，因此每個組件都將產(chǎn)生熱耗，成百上千個發(fā)熱體聚集在一起就成為一個大的發(fā)熱源，熱功率較高。同時由于天線尺寸空間的限制，頻率越高，空間尺寸越小，因此整個天線陣面的熱功率密度也將會很大［1～2］。T/R組件作為有源相控陣雷達功能實現(xiàn)的重要部件之一，內(nèi)部裝配了數(shù)只砷化鎵與硅的半導體集成電路，半導體器件對于溝道溫度要求很高，結溫不能超過175℃，因此對于整個T/R組件的工作溫度要求同樣很高，組件的熱控將是相控陣設計的核心技術之一。

由于T/R組件中的功率放大器自身效率的限制（一般而言，毫米波功率放大器效率小于25%），因此，芯片工作時功放輸出功率只占其消耗功率的很小一部分，大部分功率損耗都將以熱能形式散發(fā)出去，長時間熱能的聚集會導致芯片內(nèi)部產(chǎn)生過高溫度，一旦溫度超過芯片結溫，將可能導致該芯片永久失效。因此，散熱技術是相控陣天線的關鍵技術，是系統(tǒng)設計不可或缺的一部分。如今的相控陣雷達中，采用了各種散熱方式，主要集中在風冷和水冷。為了確保T/R組件外殼的溫度達到要求，相控陣雷達設計過程中，常常使用很復雜的結構設計方案。如果能夠減小T/R組件中的結殼熱阻，將會有效降低散熱設計的復雜性，因此T/R組件中熱源芯片至外殼的傳熱性是研究的重點［3～5］。

2　T/R組件熱設計及仿真

T/R組件體積小、集成度高、熱源眾多，單位平方面積上的熱密度較高，在設計上必須采取一些特殊設計措施改善系統(tǒng)中的電熱性能，熱設計包括芯片級熱設計以及組件級熱設計兩個層次。組件內(nèi)最大熱源是末級高功率放大器，在器件和芯片電路設計時，就要充分考慮熱效應，包括增加器件柵柵間距，減小單指柵寬，減小芯片厚度等等。

組件熱設計包括以下方面：（1）在安裝方式上，將高熱耗芯片直接安裝在金屬盒體上，減少芯片與金屬導體之間的熱阻，芯片安裝可采用燒結或粘接的方式，燒結或粘接工藝關鍵在于控制芯片與載體間空洞率，這是減小熱阻、提高功率器件可靠性最為關鍵的一點。（2）若高熱耗芯片只能安裝在LTCC基板表面而無法直接貼裝到金屬盒體上時，則LTCC基板需采用密集通孔的方式來提高散熱效率，減少熱阻。（3）版圖設計上，采用熱耗器件分散放置方式，防止熱源過于集中。（4）提高組件外殼與整機支撐板安裝面平整度，要求組件安裝面的平面度小于0.1 mm/100 mm×100 mm，粗糙度小于3.2 μm，通過增加組件與散熱板接觸面的接觸面積，以提高組件的散熱效果。

對以上設計進行仿真，通過繪圖軟件按照實物繪制出組件的三維模型，該T/R組件由8個收發(fā)通道組成，整體結構包括測試架、焊料、金屬底板、LTCC基板、芯片等，為方便計算，同時考慮傳熱側重關系，仿真時采用如下簡化：首先忽略低頻及控制部分熱量，關注模塊高熱耗區(qū)域溫度分布，其次認為T/R模塊內(nèi)芯片熱耗一致，且芯片與LTCC基板間熱阻一致。重點關注高熱耗芯片內(nèi)部溝道溫度，芯片正常工作時，電流流過漏極、源極之間的溝道，因此在柵極、漏極之間的電阻最大，也就是熱損耗最大的位置。建立了柵極與漏極的溝道模型，并將熱損耗功率按比例平均分配到每個模型中去。模型如圖1所示。將實體模型導入到熱仿真軟件中，通過軟件的簡化處理功能將復雜的結構圖優(yōu)化，并將軟件中自帶的材料屬性附于每個實體。仿真時，外部環(huán)境溫度設置為25℃，熱臺溫度設置為85℃。

圖1 組件測試架結構圖

圖2為該組件的溫度分布云圖，即組件達到熱平衡狀態(tài)下的溫度分布情況。從圖中可知，芯片管芯位置溫度最高，而測試架邊緣處溫度最低。

圖2　組件溫度分布云圖

該T/R組件共有8個通道，試驗分別采用2個通道、4個通道以及8個通道同時工作的方式，結合占空比20%、40%、80%和連續(xù)波的工作形式進行統(tǒng)計分析芯片的結溫。表1表示了組件不同通道、不同占空比工作時的功放芯片結溫仿真關系，其仿真的條件與表1的試驗數(shù)據(jù)相互對應。從仿真的結果可知，隨著組件通道工作占空比增加，組件熱耗急劇增大，因此組件功放芯片結溫從91.5℃急劇增大到126℃，但是組件在相同占空比的情況下，如組件每個通道均工作在40%占空比時，則每個通道的芯片結溫均保持在99℃左右不變，由此可見，該多通道T/R組件散熱均勻，每個通道均能將熱量從芯片表面中導出，通道與通道相互間不存在干擾。

表1　組件功放芯片仿真結溫

3　測試結果與分析

目前通過紅外熱像儀測量微電子器件的熱特性越來越為行業(yè)所重視，本試驗采用的顯微紅外熱像儀為美國QFI公司生產(chǎn)的InfrascopeⅡ型，該熱像儀由InSb面陣紅外探頭、顯微支架、控制臺、計算機、顯示器、打印機幾部分組成。其測溫范圍為70～350℃，溫度靈敏度0.001℃，響應波段為2 μm～5 μm，脈沖采樣頻率高達200 MHz，空間分辨率達到2.5 μm。通過紅外熱像儀直接測量功放芯片溝道溫度。

試驗的測試結果如圖3所示，圖3（a）與圖3（b）分別是紅外熱像儀放大5倍和25倍所測試的結果。該頻段的GaAs功率放大器的柵長為深亞微米。紅外熱像儀的分辨率為數(shù)微米。由于紅外熱像儀的分辨率達不到器件結構的精細程度，測得的溫度是一定范圍的平均值，所以顯示的溫度低于最熱點的實際溫度。圖3（a）顯示的是GaAs功率放大器芯片表面管芯區(qū)域的平均溫度，而圖3（b）顯示的是柵極與漏極之間溝道處的平均溫度，即芯片可承受的溫度。

圖3　功放芯片溫度測試圖

測試時，組件同樣采用與仿真實驗相同的條件進行測試，分別在20%、40%、80%占空比和連續(xù)波的方式對2個通道、4個通道以及8個通道同時工作時的芯片結溫進行統(tǒng)計分析。試驗過程中，紅外熱像儀的臺面溫度設為85℃，即天線T/R組件測試架的外殼溫度保持85℃，控制臺對測試架起到強迫冷卻的效果。

本次試驗主要測試了組件T/R通道中末級功放芯片的結溫，組件測試時工作電壓保持5 V，工作電流隨占空比變化而改變，為了提供熱損耗參數(shù)，將測試的電壓以及電流、輸出功率進行計算，基本的計算公式為：芯片的熱損耗=輸入射頻功率+電壓×電流-輸出功率。

為測試方便，紅外分析儀固定監(jiān)測組件中間通道的功放結溫，具體測試數(shù)值如表2所示。通過表2、圖4可知，2個通道、4個通道及8個通道的工作電流都隨著占空比的增加而增大，三者的結溫也趨于線性關系逐漸增加。2個通道、4個通道、8個通道在相同占空比條件下工作時，功放芯片的結溫溫度相差不大。當占空比為20%，2個通道工作時，功放芯片有最低結溫為91.6℃；當8個通道在連續(xù)波的狀態(tài)下工作時，功放芯片的結溫有120.4℃，均滿足不超過結溫150℃的可靠性要求，組件可以正常工作。

表2　組件功放芯片測試結溫

圖4　組件功放芯片工作電流及溝道溫度圖

表3是組件功放芯片試驗值與仿真值的對比，為了更清楚地表示誤差率的大小，將表中誤差率繪制成圖，如圖5所示。從表3及圖5中可知，誤差率的區(qū)間在0.2%～13.4%之間，其中誤差率在1%～8%之間的分布密度較高，由此可知，該組件的熱設計與實際情況符合較好。

圖5　仿真與實測誤差率對比圖

表3　組件功放芯片試驗值與仿真值的對比

4　結論

T/R組件的散熱技術是有源相控陣技術的核心之一，多通道高密度T/R組件熱設計尤其重要，通過熱仿真軟件對高密度組件進行三維熱仿真，得到不同電流不同占空比情況下的溝道溫度，最終實驗結果表明，該種設計方法和實驗較好地滿足了高密度T/R組件的散熱要求。

［1］ 於洪標. X波段T/R組件功率放大器芯片的熱設計［J］. 現(xiàn)代雷達，2010（4）： 74-78.

［2］ Li Geng， Chen Zhi-ming， Kruemmer R. A Precise Model for Simulation of Temperature Distribution in Power Modules［J］. Chinese of Journal of Semiconductors，2001，22（5）： 548-553.

［3］ M ital M ， Pang Ying Feng， Scott E P. Evaluation of Thermal Resistance Matrix Method for an Embedded Power Electronic Module ［J］. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies， 2008，31（2）：382-387.

［4］ 何倩鴻，楊平，魏巍. 二維多芯片組件的分布矩陣熱設計［J］. 中國機械工程，2012，8（4）： 897-899.

［5］ Gilmore D G. Spacecraft thermal control handbook，Volume I：fundamental technologies［M］. California：The Aerospace Press， 2002.

Thermal Analyze and Research of High Integrated T/R Module

ZHOU Jun1，3， LIU Wei2， SHENG Zhong3， SHEN Ya1，3
（1. Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory， Nanjing 210016，China；2. The Air force's military representative office in Jiangsu， Nanjing 210016，China；3. Nanjing Electronic Device Institute， Nanjing 210016，China）

Thermal design of T/R module is one of the key technologies in application of active phase array radar. According to the high integrated T/R module， various methods are proposed to spread the heat in this paper. The channel temperature of PHEMT is analyzed using thermal simulator software and the temperature is tested by infrared analyze instrument. The comparison between simulated and tested results shows that the presented designs are validated to T/R modules.

T/R module； thermal design； high integrated

TN802

A

1681-1070（2015）12-0038-05

周 駿（1982—），男，安徽巢湖人，工學博士，現(xiàn)為中國電科集團第五十五所高級工程師，主要研究方向為微波毫米波三維立體封裝及組件技術。

2015-8-12