刘健，张长城，崔朝探，李天赐，杜鹏搏,，曲韩宾,

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；2.河北新华北集成电路有限公司，石家庄 050200；3.河北省卫星通信射频技术创新中心，石家庄 050200）

1 引言

随着微波电子设备向轻量化、小型化的方向发展，业界迫切需要尺寸小、可靠性高和安装使用方便的管壳类功率放大器[1-2]。与内匹配功率放大器相比，封装型功率放大器的优势在于尺寸小、重量轻和功率密度大[2-4]。功率放大器在射频收发组件中扮演着重要角色，广泛应用于通信系统、雷达、卫星、半导体制造等领域，功率和效率对系统总体能耗和散热性能有显著影响[5]。目前国内外已有C、S 波段功率放大器的相关研究，但是对于宽频带、高效率、小型、轻薄化的功率放大器报道较少。夏永平等人在C 波段GaN 高功率放大器方面取得了一定成果[6]，周全对S 波段大功率功率管进行了相关研究[7]。但是上述功率放大器尺寸较大且厚度较厚，不能适应轻薄化和小型化的需求。同时，第三代半导体器件的迅速发展也对封装技术提出了更为严苛的要求[8]。

面向第三代半导体GaN 功率芯片的开发应用，本文在小型化、宽频带、高效率方面展开了研究，设计了一种2～6 GHz 的小型管壳封装功率放大器，GaN 芯片厚度为80 μm，封装管壳选用电性能优越、功率密度高、可靠性高、尺寸小的方形扁平无引脚（QFN）管壳[9-10]，并通过热仿真分析模拟封装芯片的温度分布，验证了使用该管壳封装的散热性能。对封装后的功率放大器进行测试，电性能结果显示其饱和输出功率大于40.5 dBm，功率附加效率大于35%，性能指标均达到预期要求。

2 功率放大器的结构设计

2.1 结构布局

本设计采用陶瓷方形扁平无引脚（CQFN）管壳封装，管壳中心嵌入一个矩形热沉作为芯片黏结区用来散热，热沉尺寸为4.7 mm×4.7 mm，在矩形热沉四周分布有电连接焊盘。封帽方式为陶瓷盖板金锡熔封，放大器的整体尺寸仅为7.0 mm×7.0 mm×1.2 mm，CQFN管壳封装结构如图1 所示。

图1 CQFN 管壳封装结构

功率芯片和芯片电容与管壳芯区使用熔点为280 ℃的金锡焊料进行焊接，芯片压点通过键合线与管壳正面键合指连接，进而通过陶瓷内部走线传输到背面焊盘。功率放大器的内部装配布局如图2 所示，形成了“芯片—键合线—正面键和指—内部走线—背面焊盘”的完整导电通路，具有尺寸小、传输线路短、寄生参数小的优点。芯片下方是MoCu30 热沉，板级组装时热沉直接接触PCB 表面，大大提高了器件的散热能力。

图2 功率放大器的内部装配布局

2.2 电路设计

功率放大器的电路原理如图3 所示，VD 为漏极电源端口，VG 为栅极电源端口。功率放大器所用的芯片基于GaN HEMT 实现，采用三级放大电路。芯片采用0.25 μm GaN 功率单片微波集成电路（MMIC）工艺制作，输入、输出压点及漏极、栅极键合压点尺寸为100 μm×100 μm，背面通孔接地，采用双电源工作模式。芯片外部设置滤波电容，滤除电源加电时产生的杂波。在使用过程中应满足功率放大器的加电时序要求，且工作过程中输出端不可开路或短路。

图3 功率放大器的电路原理

功率芯片封装进管壳之后，互联的键合金丝会使损耗增加，管壳上的微带及键合丝也会引起阻抗的失配，因此在电路匹配设计方面，需要根据芯片、键合丝、管壳的空间场分布情况，对键合金丝的长度、弧度、拱高、键合落点进行仿真，使键合的射频损耗减到最小，结合键合丝工艺极限，最终采用2 根25 μm 键合金丝并联的方式，使整个电路的输入、输出端口阻抗匹配至50 Ω 的最佳状态，保证封装芯片的高功率、高效率输出。

3 功率放大器的热设计

功率放大器的热设计主要是从导热通路结构、材料等方面来考虑。导热一般有传导、对流、辐射3 种方式。从芯片上的发热源通过芯片→芯片粘接层→外壳底座→PCB 板→散热块的散热方式是热传导，从外表面到周围环境的散热是对流和辐射。

芯片的工作过程会产生热量，热量的不断积累会导致电路温度升高，而温度升高至结温极限值时，将会降低电路热可靠性，严重时使电路功能失效，因此有必要进行散热设计，降低放大器的传输热阻，提高芯片封装的散热性能。

3.1 热仿真模型

根据功率放大器的装配方式以及实际应用条件进行热仿真分析。GaN 功率芯片衬底材料为SiC，尺寸为2.80 mm×2.10 mm×0.08 mm，芯片与管壳通过Au20Sn80 焊料连接；管壳与PCB 通过Sn63Pb37 焊料连接；PCB 与盒体通过Sn96.5Ag3Cu0.5 焊料连接。PCB 的板材为RT/duroid 5880，烧结管壳区域有散热孔，散热孔进行金属化处理，过孔位置参见图4 所示的热仿真模型。

图4 热仿真模型

仿真模型中焊料层与实际器件装配模型中保持一致，界面接触系数按照10%的空洞率设置，模型建模时对不规则图形进行简化，模型网格划分采用六面体，数量约为38 万。表1 为模型中各零部件的热导率。

表1 模型中各零部件的热导率

3.2 热仿真边界条件

功率芯片散热主要通过芯区热沉将热量传递到PCB 中，小部分热量通过管壳和陶瓷盖板向周围环境耗散。根据GJB 548B 规定的热性能测试方法，将放大器安装于70 ℃恒温的测试架上，传热模型如图5 所示，按照此方法进行芯片结温仿真。仿真时将热耗21 W施加在芯片有源区，采用恒温边界条件[11]作为仿真边界条件，对模型进行连续波下的稳态热仿真分析。

图5 传热模型

3.3 热仿真结果

在芯片封装之前进行热仿真，能事先模拟出功率放大器的结温分布，评估散热方案的可行性。仿真得到功率放大器的温度场分布，如图6 所示，最高温度分布在芯片有源区中心，结温为195.33 ℃，在芯片最高限制沟道温度225 ℃以内，故可判定该封装散热形式可行。

图6 功率放大器温度场分布图

3.4 红外测试结果

利用红外热成像仪对功率放大器的结温进行测量，值得注意的是，热测试需要使用与热仿真相同的条件。功率放大器的热成像图如图7 所示，可以看出，芯片最高温度为198.61 ℃，且与仿真温度分布结果趋势一致。

图7 功率放大器的热成像图

实际测试时，散热器通过导热硅脂与盒体相连，不可能达到理想恒温条件，因此仿真散热效果要优于实际测试结果。将实测数据与仿真数据进行对比，可知仿真值（195.33 ℃）与实测值（198.61 ℃）的误差在5%之内。实测结果和热仿真结果的高度一致验证了热设计的正确性，也验证了此种封装结构散热的可行性。

4 功率放大器加工及测试

4.1 功率放大器研制

应用QFN 管壳封装的功率放大器，内部装配布局紧凑，功率芯片和芯片电容与管壳芯区使用金锡焊料进行焊接，芯片端口通过金丝键合线与管壳键合指连接，最终研制出的小型化GaN 功率放大器装配在PCB测试板上，实物如图8 所示。

图8 功率放大器实物

4.2 电性能测试

功率放大器的工作带宽定义为满足功率、增益以及效率指标要求的频率范围。带宽特性根据相对带宽BW判定，其计算公式为

其中，f1为放大器工作频率的下边频，f2为放大器工作频率的上边频。若BW＜1%，称之为窄带功放；若BW在1%～25%，称之为宽带功放；若BW＞25%，称之为超宽带功放。本文设计的GaN 功率放大器工作频带为2～6 GHz，相对带宽高达100%，为超宽带功放。

对封装完成的功率放大器进行电性能测试，连续波测试条件为漏极工作电压VD=28 V，栅极电压VG=-1.8 V，输入功率为17.5 dBm，微波电性能测试结果如图9 所示。在工作频率为2～6 GHz 时，饱和输出功率Psat＞40.5 dBm，功率增益Gain＞23 dB，功率附加效率PAE＞35%，测试结果均达到了预期设计要求，能很好地满足实际需求，而且芯片在－55～+85 ℃工作环境中具有良好的稳定性，证明本设计方案切实可行。表2 是本文与其他文献中同类器件的性能对比，可以看出，本文设计的功放在带宽、输出功率及小型化方面有着一定的优势。

表2 本文与其他文献中同类器件的性能对比

5 结论

本文设计了一款小型化封装的超宽带GaN 功率放大器，在工作频率2～6 GHz 下，饱和输出功率大于40.5 dBm，功率增益大于23 dB，功率附加效率大于35%，测试结果均达到了预期的设计要求。在封装前进行散热设计，将芯片最高温度限制在198.61 ℃以内，该功率放大器不仅散热良好、微波电性能指标优异，而且体积小、重量轻、阻抗低、装配一致性高、气密性良好，目前已实现大批量生产，具有广泛的实际应用价值。