用于军事和航空航天领域的高可靠性技术

■ 恩智浦半导体 K. Werner，S. Theeuwen，J. de Boet，V. Bloem，W. Sneijers

高压LDMOS是高达3.8GHz的国防和航空电子设备RF功率应用的最佳技术选择。该技术将高功率密度、高强度与高于双级设备的增益和效率相结合。此外，因为基于高容量的Si制造流程，高压LDMOS的可靠性众所周知且已经过市场验证。LDMOS的固有特性使其可承受+5dB的过驱动，且无故障风险，灵活性的提升有助于实现不同的脉冲格式并防止热失控，从而使整体系统设计比既有的双极技术更简单。

LDMOS总体性能

Si LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体) 技术用于国防和航空航天应用领域已有近10年的历史。第一款LDMOS晶体管BLA1011-200 于2001年被用于航空电子设备。与此同时，随着新工艺的性能不断提升，且最近一项高压 (50V) 技术在每个单一设备 上实现了高达600W的功率级别，LDMOS已不断深入航空电子设备市场。近年来，功率密度、增益及效率显着提升 (分别参见图1、图2及图3)。


图1 在3.6 GHz下负载牵引系统中无内部比对时对封装设备进行测量，LDMOS功率密度的变化


图2 在f=3.6GHz下通过负载牵引技术测量随后各代LDMOS的增益提高。插图所示为栅极长度的缩短



图3 电源电压为28V时在3.6 GHz下LDMOS最大漏极效率的变化
健壮性

健壮性 (即通常所说的承受“恶劣”RF条件的能力) 是否不匹配或显着缩短脉冲升降次数对实现可靠的设备性能至关重要。恩智浦始终致力于实现最佳的设备强度。在开发阶段，这些技术已经过最严格的强度测试，尤其是50V的高压技术。在其他因素中，寄生双极管的基极电阻和LDMOS设备的漏极延伸极其重要。如图4所示，我们采用了两种参数以在50V技术节点下实现高达150V的漏极击穿电压。



图4 采用不同技术时高压广播LDMOS的脉冲电流电压测量值

图5 分别采用GEN4和GEN5技术制造的W-CDMA、EDGE及GSM设备的MTF比较。请注意功率密度，GEN5设备的电流密度比GEN4设备高20%。GEN5设备的热阻低于GEN4设备

这将最终使设备始终能在额定负载和所有相位角下承受至少为10:1的VSWR，且正常工作。

铝金属化

早期的LDMOS技术涉及金金属化和接合线，因此具有高电迁移耐力的固有优势。现代亚微米芯片制造工厂中，新技术节点的发展促成了基于铝的金属化和接合线的使用。当然，当时认为铝在承受脉冲应用时的可靠性要低于金。然而，关于该领域的广泛研究和经验表明，即使铝在某些方面未必优于金，但就此方面的性能而言，两者相当。将在设备上采用铝金属化的第五代技术与采用金的第四代 (Gen 4) 技术相比，产生故障的平均时间一样，但第五代设备的功率密度更高。图5所示为结果，在该情况下，GSM基站设备的运行压力 (CW运行) 高于脉冲雷达晶体管。

图6 故障率为0.1%时的脉冲次数与电线电流和接合角度

另一个争论的焦点是铝接合线的使用。人们担心脉冲操作可能因为焦耳加热 (每次脉冲) 导致接合线发生“移位”，最终因为机械疲劳引起破裂或断裂。我们设计了故障检修实验，以校准可预测寿命的型号。事实证明，在第一次接合之后，接合线总是发生破裂。破裂概率 (TTF0.1%) 还取决于接合角度 (即电线与平面所成的角) 以及所采用的电流密度。图6所示为结果。显而易见，接合角度和电流越小越好。鉴于设计规则中的结果，我们在开发时可以确保设备的必要寿命和/或可靠性。