用于軍事和航空航天領(lǐng)域的高可靠性技術(shù)

高壓LDMOS是高達(dá)3.8GHz的國(guó)防和航空電子設(shè)備RF功率應(yīng)用的最佳技術(shù)選擇。該技術(shù)將高功率密度、高強(qiáng)度與高于雙級(jí)設(shè)備的增益和效率相結(jié)合。此外，因?yàn)榛诟呷萘康腟i制造流程，高壓LDMOS的可靠性眾所周知且已經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證。LDMOS的固有特性使其可承受+5dB的過(guò)驅(qū)動(dòng)，且無(wú)故障風(fēng)險(xiǎn)，靈活性的提升有助于實(shí)現(xiàn)不同的脈沖格式并防止熱失控，從而使整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)比既有的雙極技術(shù)更簡(jiǎn)單。

LDMOS總體性能

Si LDMOS (橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體) 技術(shù)用于國(guó)防和航空航天應(yīng)用領(lǐng)域已有近10年的歷史。第一款LDMOS晶體管BLA1011-200 于2001年被用于航空電子設(shè)備。與此同時(shí)，隨著新工藝的性能不斷提升，且最近一項(xiàng)高壓 (50V) 技術(shù)在每個(gè)單一設(shè)備 上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)600W的功率級(jí)別，LDMOS已不斷深入航空電子設(shè)備市場(chǎng)。近年來(lái)，功率密度、增益及效率顯著提升 (分別參見(jiàn)圖1、圖2及圖3)。


圖1 在3.6 GHz下負(fù)載牽引系統(tǒng)中無(wú)內(nèi)部比對(duì)時(shí)對(duì)封裝設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，LDMOS功率密度的變化


圖2 在f=3.6GHz下通過(guò)負(fù)載牽引技術(shù)測(cè)量隨后各代LDMOS的增益提高。插圖所示為柵極長(zhǎng)度的縮短



圖3 電源電壓為28V時(shí)在3.6 GHz下LDMOS最大漏極效率的變化
健壯性

健壯性 (即通常所說(shuō)的承受“惡劣”RF條件的能力) 是否不匹配或顯著縮短脈沖升降次數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)備性能至關(guān)重要。恩智浦始終致力于實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)備強(qiáng)度。在開發(fā)階段，這些技術(shù)已經(jīng)過(guò)最嚴(yán)格的強(qiáng)度測(cè)試，尤其是50V的高壓技術(shù)。在其他因素中，寄生雙極管的基極電阻和LDMOS設(shè)備的漏極延伸極其重要。如圖4所示，我們采用了兩種參數(shù)以在50V技術(shù)節(jié)點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)高達(dá)150V的漏極擊穿電壓。



圖4 采用不同技術(shù)時(shí)高壓廣播LDMOS的脈沖電流電壓測(cè)量值

圖5 分別采用GEN4和GEN5技術(shù)制造的W-CDMA、EDGE及GSM設(shè)備的MTF比較。請(qǐng)注意功率密度，GEN5設(shè)備的電流密度比GEN4設(shè)備高20%。GEN5設(shè)備的熱阻低于GEN4設(shè)備

這將最終使設(shè)備始終能在額定負(fù)載和所有相位角下承受至少為10:1的VSWR，且正常工作。

鋁金屬化

早期的LDMOS技術(shù)涉及金金屬化和接合線，因此具有高電遷移耐力的固有優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代亞微米芯片制造工廠中，新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展促成了基于鋁的金屬化和接合線的使用。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)認(rèn)為鋁在承受脈沖應(yīng)用時(shí)的可靠性要低于金。然而，關(guān)于該領(lǐng)域的廣泛研究和經(jīng)驗(yàn)表明，即使鋁在某些方面未必優(yōu)于金，但就此方面的性能而言，兩者相當(dāng)。將在設(shè)備上采用鋁金屬化的第五代技術(shù)與采用金的第四代 (Gen 4) 技術(shù)相比，產(chǎn)生故障的平均時(shí)間一樣，但第五代設(shè)備的功率密度更高。圖5所示為結(jié)果，在該情況下，GSM基站設(shè)備的運(yùn)行壓力 (CW運(yùn)行) 高于脈沖雷達(dá)晶體管。

圖6 故障率為0.1%時(shí)的脈沖次數(shù)與電線電流和接合角度

另一個(gè)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是鋁接合線的使用。人們擔(dān)心脈沖操作可能因?yàn)榻苟訜?(每次脈沖) 導(dǎo)致接合線發(fā)生“移位”，最終因?yàn)闄C(jī)械疲勞引起破裂或斷裂。我們?cè)O(shè)計(jì)了故障檢修實(shí)驗(yàn)，以校準(zhǔn)可預(yù)測(cè)壽命的型號(hào)。事實(shí)證明，在第一次接合之后，接合線總是發(fā)生破裂。破裂概率 (TTF0.1%) 還取決于接合角度 (即電線與平面所成的角) 以及所采用的電流密度。圖6所示為結(jié)果。顯而易見(jiàn)，接合角度和電流越小越好。鑒于設(shè)計(jì)規(guī)則中的結(jié)果，我們?cè)陂_發(fā)時(shí)可以確保設(shè)備的必要壽命和/或可靠性。