Исследование зависимости выходных параметров от температуры с различным типом теплопроводящей подложки на металлическом основании на примере транзистора BLF578XR

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Исследование зависимости выходных параметров от температуры с различным типом теплопроводящей подложки на металлическом основании на примере транзистора BLF578XR

Кучерук Владимир Владимирович, инженер

Лебедев Никита Викторович, аспирант первого курса

Сарибекян Артём Меджлумович, студент

Аннотация

транзистор теплопроводящий контакт плата

В работе акцентировано внимание на применение двух типов материалов в качестве теплопроводящего слоя в месте контакта металлического основания транзистора и охлаждающего основания платы. Опытным путем было показано как применение того или иного материала значительным образом может сказаться на параметрах уровня выходной мощности на примере LDMOS-транзистора BLF578XR.

Ключевые слова: теплопроводность, LDMOS-транзистор, технология LDMOS, радиопередающие системы.

Annotation

In this article the attention is pointed on the using of two types materials as the heat-conducting layer in the terminals of the metal base of transistor and heat-eliminating base of subassembly. By actual experiments it has been shown that the using of one or another kind of material might significantly affect the capacity of layer of the driving power by the example of LDMOS-transistor BLF57XR.

Keywords: thermal conductivity, LDMOS-transistor, LDMOS technology, radio transmission system.

Основная часть

На сегодняшний день такие интенсивно развивающиеся области, как радиолокация, радионавигация, телекоммуникационные системы, предъявляют повышенные требования к параметрам СВЧ устройств. В современной электронике важен очень высокий показатель надежности и устойчивости всей системы в целом при воздействии различных внешних и внутренних факторов. Немаловажным критерием работы аппаратуры в неблагоприятной среде является способность сохранять электрические характеристики при различных температурных режимах. В рамках работы по НИОКР было предложено решить задачу по использованию мощных LDMOS-транзисторов в составе приёмопередающего модуля. Данная обзорная статья посвящена исследованию зависимости выходной мощности от температуры нагрева полупроводникового элемента.

На сегодняшний день электрические параметры СВЧ LDMOS-транзисторов, разрабатываемых с учетом требований рынка устройств связи, позволяют использовать их в авиационных и импульсных радарных применениях, где обычно применяются мощные кремниевые транзисторы. Как известно, мощные LDMOS-транзисторы как в импульсном, так и в постоянном режиме работы выделяют достаточное количество тепла, что неизбежно приводит к нагреву, как самого транзистора, так и прилегающих областей. Принятые меры по отведению тепла достаточно эффективны, но наблюдается разогрев блока аппаратуры, в который входит исследуемая транзисторная структура. В ходе предварительных испытаний было замечено, что температура нагрева блока может достигать шестидесяти градусов по Цельсию. Вследствие наблюдаемого эффекта, нами была поставлена цель по исследованию зависимости выходных параметров полупроводниковой структуры от температуры окружающей среды в рабочем диапазоне частот от 407 МГц до 467 МГц с различным типом теплопроводящей подложки на металлическом основании транзистора. Таким образом, мы хотим понять, насколько сильно влияет разогрев транзистора на электрические характеристики и заранее спрогнозировать поведение готового изделия в реальных условиях, а также понять, какой материал в качестве теплопроводящей подложки предпочтительнее использовать.

Для начала представим общие данные рассматриваемого транзистора, выходные параметры приведены с официального сайта производителя. BLF578XR - LDMOS-транзистор диапазона HF (до 500 МГц) с выходной мощностью до 600 Вт и до 1200 Вт в импульсном режиме, коэффициент усиления транзистора не менее 24 дБ, КПД до 70%, транзистор имеет встроенную защиту от статического электричества, выполнен в корпусе SOT539A. Поговорим немного от технологии LDMOS.

LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) - смещенно-диффузная МОП технология на основе кремния.

Рис. 1 Разрез типичной LDMOS-структуры

На рисунке 1 показан разрез типичной LDMOS-структуры. Сформированная с помощью смещенно-диффузной технологии, область р+ (р+ sinker) с низким сопротивлением соединяет исток структуры с подложкой, что позволяет создать хороший электрический контакт между истоком и землей. При этом отпадает надобность в использовании соединительных проводников, тем самым снижая влияние паразитных эффектов, а также уменьшается индуктивность затвора и увеличивается усиление транзистора. Между затвором и стоком помещен экранирующий слой (gate oxide), уменьшающий емкость цепи обратной связи. При высокой плотности положительного фиксированного заряда в экранирующем слое (Qf > 0) подзатворная область кремния переходит в режим инверсии, и «сам собой» формируется канал n - типа. Таким образом, транзистор работает в режиме усиления.

Технология изготовления кристалла основана на одногигагерцовой технологии Philips, адаптированной для использования в авиационных применениях, требующих высокой линейности усилителя при большом динамическом диапазоне [1].

Технология LDMOS обладает наилучшими характеристиками по сравнению с биполярной технологией, такими, как линейность, усиление, тепловые режимы, устойчивость к рассогласованию, высокий КПД, запас по рассеиваемой мощности, надежность. Это достаточно молодая технология, которая основное развитие получила в конце 80-х - начале 90-х годов 20 века и стала одной из ключевых технологий на рынке высокочастотных устройств [2]. Приборы, построенные на основе LDMOS-транзистора, не имеет особых недостатков. Вообще приборы такого класса имеют хорошую линейность в широком динамическом диапазоне. На рисунке 2 показана зависимость усиления и эффективности работы прибора от нагрузки. Как видно из этого графика, LDMOS-транзистор при мощности до 1400Вт имеет коэффициент усиления более 22 дБ.

Рис. 2 а) зависимость коэффициента усиления G_p от выходной мощности P_L; б) зависимость выходной мощности P_L от входной P_S

Итак, на рисунках 3 и 4 представлен общий вид испытуемого транзистора BLF578XR.

Рис. 3 1,2 - сток, 3,4 - затвор, 5 - исток. Рис. 4. Вид сбоку

Для проведения температурных испытаний была изготовлена топология тестовой платы по рекомендациям производителя, а также подобрана определенная база электронных компонентов для наполнения топологии печатной платы. На рисунке ниже представлена рабочая измерительная плата, с помощью которой проводились стендовые испытания транзистора BLF578XR.

Рис. 5 Измерительная плата BLF578XR

Для выполнения поставленной цели было предложено два способа по измерению образца:

1) при использовании теплопроводящей подложки индия, смонтированной на основание корпуса транзистора;

2) при использовании слоя термопасты КПТ-8, нанесенной на основание корпуса транзистора.

В нашем случае проводилось сравнение двух материалов: термопасты КПТ-8 и индиевой подложки. Преимуществом использования термопасты является ее способность сохранять свои механические свойства при разных значениях температуры и внешних воздействиях. Однако, индиевая фольга обладает большим значением теплопроводности.

Таблица 1

Сравнение характеристик материалов

При изменении температуры параметры и характеристики канальных транзисторов изменяются в связи с тем, что изменяются обратный ток через p-n-переход закрытого транзистора, контактная разность потенциалов p-n-перехода, удельное сопротивление канала, напряжение отсечки. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация носителей определяется степенью легирования и не зависит от температуры. Однако, вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, а это в свою очередь приводит к уменьшению тока и крутизны характеристики транзистора. Снижение крутизны характеристики передачи с ростом температуры будет приводить к смещению стоковых характеристик в область более низких величин тока стока, а также к их более плотному расположению в этой области.

Рис. 6 График зависимости выходной мощности в рабочем диапазоне частот, при использовании теплопроводящей подложки индия

Одним из основных требований, предъявляемых к усилителю, является стабильность усиления в рабочем диапазоне частот. На рисунке 6 представлена зависимость выходной мощности транзистора в рабочем диапазоне частот (407 - 467 МГц). Данные параметры были измерены в температурном диапазоне от минус 50 до +70°С. Испытания транзистора проводились при длительности импульса ф=100 мкс и периоде повторения Т=10 мкс.

Рис. 6 График зависимости выходной мощности в рабочем диапазоне частот, при использовании теплопроводящей пасты КПТ-8

Измерение выходной мощности при использовании термопасты КПТ-8 также производилось при длительности импульса ф=100 мкс и периоде повторения Т=10 мкс. При сравнении полученных графиков мы можем видеть различия параметров выходной мощности, то есть при прочих равных условиях, при использовании термопасты в качестве теплопроводящего основания на частотах выше 440 МГц наблюдается заметное снижение уровня выходной мощности и так называемое «заваливание» характеристики. Это объясняется свойством термопасты, в первоначальный момент теплопроводящий состав «справляется» с нагрузкой и обеспечивает требуемый отвод тепла - сказывается отсутствие нагрева всего объема КПТ-8, но с течением времени происходит более равномерное распределение тепла по основанию и свойство теплопроводности ухудшается. Данный факт отрицательно сказывается на работе системы в целом, поскольку в верхней части диапазона наблюдается недостаток мощности; стоит также отметить, что одним из немаловажных показателей работоспособности испытываемого устройства является низкий коэффициент неравномерности характеристики в требуемом диапазоне частот 407 - 467 МГц. Таким образом, использование термопасты КПТ-8 в нашем случае для мощных радиопередающих систем нецелесообразно, возможно, применение этого состава оправдает себя при более низких значениях уровня выходной мощности или при других параметрах длительности импульса и периоде повторения сигнала.

Литература

1. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества и области применения. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_02/stat_22.htm.

2. Егоров А. Транзисторы NXP для мощных радиопередающих систем http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/nxp_tr.htm.

Размещено на Allbest.ru