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微波功率晶体管热特性的仿真研究 张增照，朱启新，莫郁薇，王宛平，周桂玉 信息产业部电子五所(广州510610) 摘要：利_}}j热仿真软件，对器件的结构参数和电参数变化时器件内部热场的变化进行了研 究，获得了发射极镇流(扩散)电阻的最佳设计值；；,iEuYJT在测试电流较小时，用电学法 测定的结温近似等于热源区内撮冷子胞的平均结温，并得到了计算峰值热阻的定量表达 式。这一结果对研究热阻测量具有重要的指导意义。 引言 对功率器件而言，结温对其可靠性有至关重要的影响。大量的试验和现场数据表明， 热应力引起的失效占了相当火的比例，因此研究器件内部的温度分布对改进热设计和提高 器件可靠性有十分重要的意义。结温的高低，除决定于器件的功率外，还同芯片的版图结 构、粘结层质量、材料的热特性以及器什的环境温度有关。崩实际材料和器仲对上述因素 进行研究，要花较大的精力同费用，劳且不可能与器件的设计同步进行，其对热设计的指 导也是事后的。 因此，利用计算机仿真，对上述情况进行模拟，使设计人员在版剀设计阶段就能对器 件的热特性及各种影响因素进行分析，有效地指导器件的热设计，这对提高整个器件的可 靠性有较大的现实意义。 本文介绍我们利用开发的热仿真软件+对CD39微波功率晶体管的结构参数和电参数 变化时器件内部热场的变化进行了研究，获得了发射极镇流(扩散)电阻的最佳设计值： 证明了在测试电流较小时，_Hj电学法测定的结温近似等．F热源区内最冷子胞的平均结温， 井得到了计算峰值热阻的定量表达式。这一结果对指导器件的热设计，提高其可靠性有重 要的指导意义。 一、发射极电阻对芯片温度的影响 一m自f№3H 均溜发(布 一m％f№* 々虐热oU讳 一m≈}№P 璁·U帆☆J 倒I 发射极电阻同器件芯片温度的关系 ·13l 功率器件的发射极电阻的重要作用之一是镇流，防止器件因热电耦合引起电流的不均 匀分配导致器件烧毁。利用热仿真软件．对微波功率晶体管发射极电阻的镇流作埘进行了 分析，耋吉果见图1。 由围可见在发射极屯阻较人时，随着发射极屯阻增大，最热子胞的平均温度变化不 夫，当发射极电阻小于5欧姆时，最热子胞的平均温度迅速升高，同时，疆冷子胞的平均 温度也开始下降，说明温度的不均匀性开始增加。当不考虑热电反馈时，不存在这个变化， 说明发射极镇流电阻对于器什热特性有重要影响。从图中我们可以看到，器件的发射极电 阻不能小丁．5欧姆，太大的发射极电阻对器仆热稳定贡献不人，相反会影响到其他参数， 善“ 例如器件的频率特性等。这一结果对器件的设计有重要的指导意义。 二、 功耗同芯片温度的关系 将器件的其他参数设定为典型值，将功率由0．7w增加到2．5w，集电极电流相应由 0．07mA升至O．25mA。计算芯片的温度．如图2所示。 由图中可见，芯片中最热子胞的平均温度和热斑温度随器件功率的增加而急剧增加。 当不考虑热电反馈时，这种关系几乎成直线；当考虑器件的热电反馈时，功率越大、器件 温升越大，并不呈线性，真正体现了正反馈的特点。当壳温为70C。功率达到2．5Ⅳ时， 在仿真中发现，计算不能收敛，每一次迭代，温度都会升高。这就是说。器件的热电反馈 十分强烈。它对电流的增强作用超过了发射极电阻对电流的负反馈作用，温度不断升高