一种新型封装材料的热耗散能力分析与验证

随着器件功率密度的不断提升,散热问题已成为微电子器件封装失效的主要原因之一。金刚石/铜(CuC)复合材料具有较高的热导率,可作为新一代散热材料应用于高功率密度器件的封装中。本文采用有限元分析(FEA)的方法对比了一款功耗为70 W的Ga N器件在应用不同热沉材料封装后的芯片结温和结-壳热阻,采用红外热成像仪测试了该款器件在使用新型金刚石/铜材料和常规的多层复合材料铜-钼铜-铜(Cu-Mo Cu-Cu,CPC)作为热沉后的结-壳热阻。结果表明,相比其他热沉材料,CuC可以大幅度降低芯片结温,在器件正常工作的条件下,采用CuC热沉材料的芯片热阻较采用CPC热沉材料的芯片热阻低19.74%,CuC热沉的热耗散能力高达4 464 W/cm^2。

金刚石在GaN功率放大器热设计中的应用

随着GaN功率放大器向小型化、大功率发展,其热耗不断增加,散热问题已成为制约功率器件性能提升的重要因素。金刚石热导率高达2 000 W/(m·K),是一种极具竞争力的新型散热材料,可用作大功率器件的封装载片。采用不同载片材料对一款热耗为53 W的GaN功率放大器进行封装。分别采用有限元仿真及红外热成像仪对放大器的芯片结温进行仿真和测试,结果显示,采用金刚石载片封装的放大器的结温比采用钼铜(MoCu30)载片封装的放大器的结温降低了30.01℃,约18.69%。同其他常用载片材料进行进一步对比得出,在相同工作条件下,采用金刚石载片封装的放大器结温最低,并且随着热耗增加,金刚石的散热能力更为突出。在芯片安全工作温度175℃以下,金刚石能满足GaN功率放大器100 W热耗的散热需求。

轴向载荷对角接触轴承间隙演化机理分析

滚动轴承工作间隙作为衡量轴承动态性能的重要指标之一,主要是由轴承承受外部载荷决定,严重影响着滚动轴承及其所在转动机构的运转精度。为分析太空环境下轴向载荷对滚动轴承工作间隙的作用机理,基于Hertz接触理论对滚动轴承的接触变形分析,研究轴向位移变化,并提出了径向间隙的计算模型,借助有限元模拟软件对比理论分析研究工作间隙的变化。以71807C型角接触球轴承为例,分析工作间隙的演化规律,同时验证了径向间隙的存在。所研究的工作间隙演变为转动机构的运转精度、工作寿命、可靠性分析等提供了参考。

X波段小型封装GaN功率放大器设计

基于GaN功率放大器模块化、小型化的发展需求,设计了一款X波段小型管壳封装的功率放大器。通过合理排布电路结构,实现了封装尺寸的小型化。由于器件功率密度不断提升,散热问题不容忽视,通过对不同材料的管壳底座进行热仿真分析,模拟芯片的温度分布,根据仿真结果选定底座材料为钼铜Mo70Cu30,利用红外热成像仪测试芯片结温为107.83℃,满足I级降额要求。最终设计的功率放大器尺寸为18.03 mm×8.70 mm×3.03 mm,在28 V工作电压脉冲测试条件下,9.3~9.5 GHz频带内饱和输出功率大于46 d Bm,功率附加效率大于36%,功率增益大于24.5 d B,电性能测试结果全部满足技术指标要求。

热阻仿真在陶瓷封装电阻计算中的应用

随着半导体封装器件的不断发展,工作电流不断增加,对陶瓷封装的电性能提出了更高要求,而导通电阻是衡量其电性能最重要的参数之一,会影响电路的稳定性和功耗波动。提出了一种陶瓷封装中导通电阻仿真求解的新方法,利用ANSYS软件热阻仿真模型等效求解电阻的方式,实现导通电阻值的精确计算。阐述了热阻模型与电阻模型的等效机理,对比了传统估值法与仿真求解法的计算结果,结果表明,仿真求解法得到的电阻值与实测电阻值更为接近,误差小于5%,而传统估值法误差最高可达30%。仿真求解法计算时间大大缩短,效率更高,还可观察线路的连通关系,错误率远低于传统估值算法。该方法适用于陶瓷封装中不同类型和任意结构的阻值计算,通用性强。

Ka波段GaN HEMT高效率功率放大器MMIC

研制了一款基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的Ka波段功率放大器(PA)单片微波集成电路(MMIC)。MMIC采用三级级联放大结构,在末级采用簇丛型合成网络实现8胞功率合成,电路输入端和级间采用低通电抗式匹配网络,输出端采用带通电抗式匹配网络,并结合稳定网络实现高效稳定的特性。对所设计的功率放大器MMIC进行了流片验证,芯片面积为4.3 mm×2.9 mm。测试结果表明,在漏极偏置电压为20 V(100μs脉宽、10%占空比),栅极偏置电压为-1.6 V,输入功率为18 dBm的条件下,该款功率放大器MMIC的工作频率为27~33 GHz,饱和输出功率大于10 W,功率增益大于22 dB,功率附加效率高达30%。

2-6 GHz小型化、高效率GaN功率放大器

基于GaN功率放大器小型化、轻薄化的发展趋势,选用陶瓷方形扁平无引脚(CQFN)管壳封装,设计了一种2~6GHz宽频带、小尺寸、高效率的功率放大器,并阐述了设计方法和研制过程。随着器件功率密度的不断升高,散热问题成为设计中不可忽略的因素,分别采用热仿真分析及红外热成像测试方法,得到功率放大器芯片的最高温度为198.61℃,能满足散热需求。功率放大器尺寸为7.0mm×7.0mm×1.2mm,在连续波测试条件下,漏极电压为28V,工作频带为2~6GHz,饱和输出功率大于40.5dBm,功率增益大于23dB,功率附加效率大于35%,测试结果均满足实际需求。