在電子電路設(shè)計(jì)中，開始通常假設(shè)元器件在室溫下工作。單片微波集成電路設(shè)計(jì)，尤其是，當(dāng)直流電流流過體積日益縮小的器件時(shí)導(dǎo)致熱量成兩倍，三倍甚至四倍高于室溫，就違反了元器件在室溫下工作的假設(shè)。此種情況下會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)工作于室溫下的元器件相位，增益，效率，噪聲和互調(diào)失真產(chǎn)生影響。電路設(shè)計(jì)人員需要將電——熱集成在一起的分析工具，以解決這些性能問題。

隨著雷達(dá)和通信設(shè)備功率密度的不斷增加，設(shè)備的可靠性變成了一個(gè)設(shè)計(jì)問題。基站及固定無線應(yīng)用的產(chǎn)品生命周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于終端，因此，現(xiàn)場(chǎng)故障的代價(jià)是昂貴的。能夠保持超過規(guī)定的使用壽命性能的高度可靠的設(shè)備是必須的。安裝在赤道地區(qū)的基站，室外安裝的組件需要在85°C的環(huán)境下操作。為了確保能夠連續(xù)的操作，元器件的可靠性平均故障值通常需要超過10⁶個(gè)小時(shí)。

場(chǎng)效應(yīng)管失效與節(jié)點(diǎn)溫度直接相關(guān)——由流過場(chǎng)效應(yīng)管溝道的直流電流產(chǎn)生熱源。為了最大限度的提高平均無故障時(shí)間，要使相對(duì)于環(huán)境的峰值節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到最小。單個(gè)設(shè)備的溫度受到與其它設(shè)備在芯片上的相對(duì)位置的影響。因此，設(shè)計(jì)者需要有一個(gè)可以快速評(píng)估一個(gè)特定的布局的峰值結(jié)點(diǎn)溫度的能力。一旦布局好一個(gè)器件后，有各種不同的技巧測(cè)量溫度【參考1】。然而，這并不能在設(shè)計(jì)階段提供幫助，并在幾何分辨率上有一個(gè)限制，使亞微米級(jí)別的場(chǎng)效應(yīng)管的溝道長度的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。

節(jié)點(diǎn)溫度可以采用熱分析軟件確定，并可提供足夠的細(xì)節(jié)以及材料特性[參考2-4]。SYMMIC™ from CapeSym是專門為單片微波集成電路設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的在設(shè)計(jì)階段使用的熱分析工具，并且此工具與AWR公司的射頻/微波設(shè)計(jì)軟件Microwave office™集成在一起。與非集成的熱求解器相比，這個(gè)集成是基于腳本的并且需要最少的人工干預(yù)。Microwave office軟件中電路的布局可以輕松的導(dǎo)入到SYMMIC里進(jìn)行整個(gè)單片集成微波電路溫度的評(píng)估。雷達(dá)和通信系統(tǒng)的單片微波集成電路可以被進(jìn)一步的分析來確定在單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)峰值節(jié)點(diǎn)溫度的影響。

什么使得SYMMIC不同

大多數(shù)熱分析工具是為了一般的用途而設(shè)計(jì)優(yōu)化的。這種通用化，使他們難以適用于特殊問題，比如單片微波集成電路的熱行為的分析。用戶使用通用的熱軟件包的挑戰(zhàn)包括定義詳細(xì)的單片微波集成電路的結(jié)構(gòu)布局和半導(dǎo)體/介質(zhì)/導(dǎo)體層的堆棧以及射頻/直流工作條件。SYMMIC應(yīng)用需要一個(gè)完全不同的方法來顯著的降低一個(gè)單片微波集成電路的設(shè)計(jì)者所面對(duì)的復(fù)雜性和障礙。

SYMMIC的基于模板的方法，允許用戶在電路布局中分別定義工藝技術(shù)和熱堆棧。不同的設(shè)計(jì)可以重復(fù)使用這些模板。一旦一個(gè)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管被定義成一個(gè)模板，例如，僅僅運(yùn)行Microwave office設(shè)計(jì)環(huán)境里的一個(gè)腳本，設(shè)計(jì)者就可以方便的把射頻砷化鎵單片微波集成電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到熱分析。基于模板的熱設(shè)計(jì)免除電氣工程師幾乎所有的負(fù)擔(dān)，建立可靠的模擬。一般，難以設(shè)置的熱分析通常是在模板中包含的，因此，一旦為一個(gè)設(shè)計(jì)定義，工程師可以自由地操縱剩余下的設(shè)計(jì)，以探討其熱性能。了解熱邊界條件和材料性能的影響可以作為設(shè)計(jì)過程的一部分，而不僅僅將其做為設(shè)計(jì)的前期工作。SYMMIC是第一個(gè)工具，為單片微波集成電路設(shè)計(jì)帶來了熱分析。

SYMMIC也提供快速分析。對(duì)于使用多核桌面工作站和64位AXIeM、Microwaveoffice的設(shè)計(jì)者，SYMMIC可以充分利用硬件配置。下文所述的仿真案例運(yùn)行在8核16GB的Windows中運(yùn)行64位XP的PC上。這是極有利于考慮到熱條件以及電磁行為方面的場(chǎng)效應(yīng)管偏置點(diǎn)的選擇的迭代設(shè)計(jì)流程——支持可靠性和電氣性能的單片微波集成電路的并行設(shè)計(jì)。

射頻收發(fā)器的熱分器

為了演示Microwave office和SYMMIC軟件的集成，我們用一個(gè)使用Microwave office設(shè)計(jì)的單片集成微波電路高功率放大器標(biāo)準(zhǔn)案例，作為出發(fā)點(diǎn)。這個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)使用AWR MeSFet PdK設(shè)計(jì)的1W X-波段的功率放大器。通過在設(shè)計(jì)中復(fù)制兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來添加一個(gè)低噪聲放大器，重新設(shè)置它們的偏置點(diǎn)，使它們的漏極電流是功率放大器中場(chǎng)效應(yīng)管漏極電流的10%左右（圖1）。這個(gè)低噪放-功率放大器的單芯片的解決方案是用來設(shè)計(jì)一個(gè)集成的收發(fā)器的單片微波集成電路。必須對(duì)功率放大器到低噪放之間的熱耦合進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)最小的噪聲系數(shù)。

圖1：AWR軟件中高功率放大器和低噪聲放大器的MMIC設(shè)計(jì)。

進(jìn)行熱分析的第一步是在SYMMIC里配置代表三維結(jié)構(gòu)和堆棧的設(shè)備模板。從SYMMIC里通用的場(chǎng)效應(yīng)管模板開始，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得產(chǎn)生于AWR的MeSFet組件庫設(shè)備類似的場(chǎng)效應(yīng)管。下一步是運(yùn)行腳本，以確定模塊的范圍和Microwave office布局中所有場(chǎng)效應(yīng)管的位置。此信息是格式化的，并且導(dǎo)出成一個(gè)文件以輸入到SYMMIC。這個(gè)文件與場(chǎng)效應(yīng)管的設(shè)備模板定義了整個(gè)熱模擬的有限元問題。第二個(gè)文件輸出包含來自于電氣模擬的場(chǎng)效應(yīng)管的耗散功率水平。此文件作為參數(shù)輸入文件，定義了所有熱分析的仿真案例。

因?yàn)橄鄬?duì)于AWR軟件的SYMMIC是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序，在文件從Microwave office中輸出后，它可以隨時(shí)的使用。打開從SYMMIC中輸出的版圖，將顯示用于熱分析的低噪放-功率放大器的三維模型（圖2）。由于該模型是基于參數(shù)化的模板，場(chǎng)效應(yīng)管的尺寸，層的厚度，材料的屬性，和熱量分布等參數(shù)可以在SYMMIC中修改，來測(cè)試各種各樣的設(shè)計(jì)。運(yùn)行兩種不同的低噪放-功率放大器模擬。在第一個(gè)模擬中（圖3），功率放大器是不工作的，低噪放以標(biāo)稱值50mW運(yùn)行。在上述基板上的低噪放場(chǎng)效應(yīng)管的溫度大約在8°C。在第二個(gè)模擬中，功率放大器和低噪放都工作。功率放大器中的輸出級(jí)和驅(qū)動(dòng)中的每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管差不多以450mW的耗散功率工作。顯然，這是一個(gè)非常熱的測(cè)試條件。在此裝置中（圖4），輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的溫度差大約有20°C，底板上最熱的場(chǎng)效應(yīng)管工作溫度大約為90°C.底板上的低噪放場(chǎng)效應(yīng)管盡管現(xiàn)在差不多是13°C-當(dāng)這些場(chǎng)效應(yīng)管是唯一的熱源時(shí)也許相比起來，有一點(diǎn)熱，但不如高功率放大器在極限條件下預(yù)計(jì)的那么熱。

圖2：SYMMIC中更新/驗(yàn)證每個(gè)FET 功率耗散情況的LNA-PA模型及對(duì)話框。

圖3：PA關(guān)閉、LnA額定功率工作時(shí)LnA-PA MMIC的SYMMIC仿真結(jié)果。

圖4：高功率放大器與低噪聲放大器MMIC同時(shí)運(yùn)行。

在這個(gè)模擬中，功率放大器假設(shè)要不斷工作在啟用/禁用功能。結(jié)果是低噪放的溝道溫度上升了5°C.其他應(yīng)用程序除了啟用/禁用功能，可能需要功率放大器工作在瞬態(tài)模式。SYMMIC也能作為一個(gè)瞬態(tài)的熱解算器，因此可以承受脈沖或其它調(diào)制方案的熱波動(dòng)【參考5】。

電-熱聯(lián)合仿真

SYMMIC也可用于循環(huán)來評(píng)價(jià)溫度對(duì)性能指標(biāo)的影響，不僅是可靠性和噪聲。這種類型的分許，需要一個(gè)溫度敏感的參數(shù)，使晶體管模型熱分析可以反饋到電路仿真中。Microwave office中的腳本允許SYMMIC計(jì)算溫度來更新這種模型的溫度參數(shù)。這種變化通常會(huì)改變電路的電氣性能和晶體管的耗散功率水平。不同的耗散功率將產(chǎn)生不同的溫度。因此，腳本可用于迭代分析，其中，每一個(gè)Microwave office中的電路模擬隨著SYMMIC中的熱分析而改變來產(chǎn)生一個(gè)對(duì)連續(xù)運(yùn)行中的溫度和電氣性能指標(biāo)的準(zhǔn)確的評(píng)估。

熱阻抗網(wǎng)絡(luò)

此外，熱瞬變可能會(huì)引入不希望的記憶效應(yīng)，這難以評(píng)估。對(duì)于這種類型的瞬態(tài)分析，應(yīng)同時(shí)運(yùn)行電路和熱模擬【參考6和7】。這由集成了新一代阻抗網(wǎng)絡(luò)的Microwaveoffice/SYMMIC來實(shí)現(xiàn)的。

由于耗散功率導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)溫度升高，往往表現(xiàn)為°C/W的熱阻。晶體管模型包括一個(gè)熱電阻參數(shù)，允許考慮到自熱效應(yīng)的電氣仿真。對(duì)于一個(gè)單一的器件，這個(gè)值可以簡單的通過用耗散功率除峰值溫度的熱分析來確定。然而對(duì)于瞬態(tài)分析，晶體管模型需要熱阻和熱容，鑒于在微波單片集成電路中有一個(gè)以上的熱時(shí)間常數(shù)，后者更難估計(jì)。有晶體管陣列的單片微波集成電路的情況要更加復(fù)雜，因?yàn)椴粌H需要考慮自熱效應(yīng)，而且，還需要考慮臨近器件之間的熱耦合效應(yīng)。

因此，SYMMIC通過自動(dòng)的求解一個(gè)在特定操作條件下的整個(gè)單片微波集成電路熱模型的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)，提供了一個(gè)獨(dú)特的解決方案。SYMMIC輸出的熱阻抗作為一個(gè)網(wǎng)表電路描述返回到Microwave office環(huán)境中。這種熱網(wǎng)絡(luò)可以連接到晶體管的熱端口，獲得一個(gè)瞬態(tài)的模擬。

結(jié)論

集成電-熱協(xié)同設(shè)計(jì)流程的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)方面：
• 快速的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換，因此單片微波集成電路的設(shè)計(jì)人員不需要依賴別人來運(yùn)行仿真。
• 更快的電-熱模擬，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如有著特定應(yīng)用的最緊湊的有源設(shè)計(jì)。

通過SYMMIC與AWR設(shè)計(jì)環(huán)境的熱分析軟件的基于腳本的結(jié)合，實(shí)際的熱模擬作為射頻/微波設(shè)計(jì)流程的一個(gè)不可分割的組成部分而不是一個(gè)機(jī)械的工程軟件，對(duì)于單片微波集成電路的設(shè)計(jì)者來說，成為了一個(gè)現(xiàn)實(shí)。SYMMIC的基于模板的方法，并且純粹的仿真速度與集成到Microwave office中的腳本相結(jié)合，使得更精確的器件模擬電路設(shè)計(jì)是可能的。不必再采用一個(gè)更詳細(xì)的電磁仿真，可靠性和電氣性能在仿真中可同時(shí)考慮。因此，軟件將持續(xù)升溫。單片微波集成電路的設(shè)計(jì)者將準(zhǔn)備好使用AWR Connected for SYMMIC。

參考文獻(xiàn)
1. D. L. Blackburn, “Temperature measurements of semiconductor devices - a review,” 20th Annual IEEE Semi-Therm Symp., Mar 9-11, 2004, pp. 70-80
2. J. Wright, B.W. Marks, K. D. Decker, “Modeling of MMIC devices for determining MMIC channel temperatures during life tests,” in 7th IEEE Semiconductor Thermal Measurement, Modeling, and Management Symp., 1991, pp. 131–139.
3. D. S. Green, B. Vembu, D. Hepper, S. R. Gibb, D. Jin, R. Vetury, J. B. Shealy, L. T. Beechem, S. Graham, “GaN HEMT thermal behavior and implications for reliability testing and analysis,” Phys. Stat. Sol. C 5(6):2026-2029, 2008.
4. A. P. Fattorini, J. Tarazi, S. J. Mahon, “Channel Temperature Estimation in GaAs FET Devices,” IEEE MTT -S Intl. Microwave Symp., May 23-28, 2010, pp. 320-323.
5. J. C. Fiala, M. R. Overholt, S. Motakef, D. Carlson, “Thermal considerations in low cost T/R module design,” 35th GOMACTech Conf., Mar 22-25, 2010, Reno, NV.
6. S. R. Nedeljkovic, J. R. McMacken, P. J. Partyka, J. M. Gering, “A Custom III-V Heterojunction Bipolar Transistor Model,” Microwave Journal. Vol. 52, No. 4, April 2009, p. 60.
7. D. Denis, C. M. Snowden, I. C. Hunter, “Coupled Electrothermal, Electromagnetic, and Physical Modeling of Microwave Power FET s,” IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, Vol. 54, No. 6, June 2006, pp. 2465-2470.