基于GaN 技術的大功率T/R 組件可靠性設計與分析

彭祥飛，江浩，鄧林

（中國電子科技集團公司第29 研究所，成都 610036）

T/R 組件是集模擬電路、數字電路、大功率微波電路和小信號微波電路于一體的綜合電子組件。T/R組件的主要作用是完成發射信號的高功率放大以及接收信號的低噪聲放大。由于T/R 組件具有發射功率大、功能復雜等特點，它作為有源相控陣干擾機的核心組件被廣泛使用。T/R 組件一般安裝在天線陣面上，根據實際匹配的天線單元數量，單型有源相控陣干擾裝備中使用的T/R 組件可達上萬個，成本達整個設備的60%以上。T/R 組件的功能、性能及可靠性直接關系到裝備使用效能。上述因素對T/R 組件的使用提出了苛刻要求，即在緊湊結構空間約束條件下，T/R 組件應具備長時間、高可靠穩定工作。

伴隨著半導體技術的發展，尤其是半導體微波功率器件的技術更新換代，T/R 組件的發展經歷三個階段。

1）第一代是基于硅器件的T/R 組件。該時期T/R組件中，Si 管功率器件輸出功率可達一百多瓦。但是，Si 管功率器件不能連續波工作，且工作頻率較低，最高工作頻率只在S 波段，制約了T/R 組件的應用[1-2]。

2）第二代T/R 組件，也是目前廣泛使用的T/R組件，以GaAs 為代表的寬禁帶微波功率器件作為其功率放大的核心器件。受限于GaAs 材料的低熱導率、低擊穿場強等特性，GaAs 單管輸出功率僅幾瓦，難于實現T/R 組件大功率輸出，制約了T/R 組件在固態大功率的應用發展[3-4]。

3）第三代T/R 組件，以GaN 為代表的寬禁帶微波功率器件作為其功率放大的核心器件。得益于GaN材料擁有高熱導率、高擊穿電場、寬禁帶、高電子飽和速率、高電子遷移率、較強抗輻照能力、較好化學穩定性等特性，GaN 功率器件單位毫米柵寬輸出功率可達幾十瓦[5-6]，遠高于GaAs 微波功率器件輸出功率，使得基于GaN 技術的T/R 組件已成為當前固態大功率發展的熱點。

文中基于T/R 組件工作原理和GaN 大功率微波器件的實際特點，從大功率T/R 組件電路設計、熱設計等方面對高可靠性大功率T/R 組件進行設計與分析。

1 GaN 大功率T/R 組件電路設計

T/R 組件主要由大功率開關、限幅器、低噪聲放大器、衰減器、開關、移相器、驅動放大器及功率放大器等功能電路組成，其原理如圖1 所示。其中大功率微波電路是實現T/R 組件大功率信號放大的核心電路。同時，大功率微波電路通過電流大，是T/R 組件主要的高熱耗單元，其輸出功率的穩定性和可靠性直接決定了產品質量。大功率微波電路的設計實現與功率合成方式、功率器件類型密切相關，同時該電路具有大功率、高熱耗等特點，使得電路設計制造存在諸多難點，這使得T/R 組件可靠性面臨嚴峻考驗。

基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路原理如圖2 所示。受限于單管GaAs 功率器件輸出功率不足，基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路通常采用多級多路信號合成的方式實現大功率信號放大，以實現電子戰裝備作戰能力生成。具體地，在電路結構上，基于GaAs 器件的T/R 組件大功率微波電路由兩級功率合成單元組成，每級功率合成由兩個功率合成網絡和多個功率放大管并聯組成。多級多路合成方式使得該電路呈現出結構復雜、元器件數量多、加工制造工序多等特點，導致T/R 組件在設計階段難以保證固有可靠性能力的同時，降低工藝可靠性水平。

基于GaN 器件大功率微波電路主要由驅動放大器和GaN 功率放大器組成，原理如圖3 所示[7-9]。相較于基于GaAs 的大功率微波電路，基于GaN 的大功率微波電路中單管GaN 功率器件即可實現多管GaAs功率器件的合成功率，在實現結構形式大幅簡化的同時，輸出功率進一步提高。GaAs T/R 組件輸出功率測試曲線如圖4 所示，輸出功率均值為39 dBm。GaN T/R 組件輸出功率測試曲線如圖5 所示，輸出功率均值達42 dBm，組件全頻段輸出功率提高3 dB。另一方面，由于T/R 組件發射電路中芯片、芯片鍵合焊點及芯片間鍵合金絲金帶數量的減少，降低了各級輸出匹配電路、輸入匹配電路的復雜度，顯著提升了T/R組件發射通道幅相的一致性，有效地解決了大信號非線性條件下T/R 組件發射通道工作難以保證良好幅相一致性的問題[10-12]。

圖2 GaAs 發射電路原理Fig.2 Principle of GaAs transmit circuit

圖3 GaN 發射電路原理Fig.3 Principle of GaN transmit circuit

圖4 GaAs T/R 組件輸出功率Fig.4 Output power of GaAs T/R module

圖5 GaN T/R 組件輸出功率Fig.5 Output power of GaN T/R module

在可靠性基本理論中，產品的基本可靠性模型是用來評估產品組成單元故障引起的維修與保障模型。基本可靠性模型是一個串聯模型，其模型可以描述為：

式中：λ 為產品的總失效率；λi為產品組成各單元的失效率。由此可見，元器件數量越多，失效率越高，可靠性會降低[13-15]。因此，在滿足組件功能性能的前提下，盡量減少元器件數量是提高產品可靠性的方法之一。

基于GaN 和GaAs 的T/R 組件大功率微波電路元器件使用情況見表1。基于GaN 的T/R 組件單發射通道中，大功率微波電路元器件數量由GaAs 電路中的42 個減至10 個。在微電路芯片減少的同時，顯著減少電容使用數量，實現T/R 組件可靠性設計的大幅提升。在實際電子戰設備應用中，T/R 組件發射通道可達上百個，由此可帶來客觀元器件總數量減少，因此在設計源頭實現電子戰裝備可靠性能力的提升。

表1 大功率發射電路元器件使用情況Tab.1 Usage of high-power transmitting circuit components

2 GaN 大功率T/R 組件熱設計

在大功率T/R 組件的工程應用中，熱一直是制約電子設備發揮效能的瓶頸問題，已成為影響T/R 組件可靠性的主要因素。雖然T/R 組件在經歷GaAs 微波單片革新后，其可靠性得以較大提高，但是這種半導體器件的功率轉換效率低，其熱耗使得芯片局部工作環境變得尤為惡劣。芯片的高熱密度引起T/R 組件不同封裝集成材料間因熱膨脹系數失配出現裂紋或變形，且不同的溫度梯度、不一致材料膨脹系數將影響產品的穩定工作[16-19]。根據Arrhenius 模型[20]，高溫將加速電子產品的性能退化，并減少電子元器件的使用壽命。半導體器件壽命與溫度的關系如圖6 所示，可以看出，芯片溫度是制約T/R 組件可靠性設計的重要因素。因此，在大功率T/R 組件研制時，不僅應關注產品功能性能符合性，還應著重設計T/R 組件功率轉換效率、減少熱耗、控制芯片溫度，以此提高產品的可靠性。

在實際工程上，基于GaAs 技術的T/R 組件若實現10 W 功率輸出、大于30 dB 增益放大的需求，需采用兩級功率合成實現。第一級功率合成采用兩片0.5 W 驅動放大器合成1 W 功率輸出。第二級功率合成采用四片4 W 功率放大器合成10 W 功率輸出。整個T/R 組件熱耗達90 W，發射功率轉換效率為10%。相比而言，10 GHz 頻段以下，GaN 芯片熱流密度已達到400 W/cm2，而GaAs 芯片尚不足200 W/cm2。基于GaN 技術的T/R 組件，若實現20 W 功率輸出、大于30 dB 增益的放大需求，驅動放大器和功率放大器分別只需單管便能實現。整個T/R 組件熱耗為75 W，發射功率轉換效率達21%，T/R 組件發射效率提升10%。試驗表明，GaN 器件工作結溫達225 ℃，而GaAs 器件工作結溫不超175 ℃。因此，GaN 器件可以承受更高的工作溫度。

綜上所述，基于GaN 技術的T/R 組件已突破現有T/R 組件高熱耗、低轉換效率等短板，并借助GaN 器件更高的工作結溫實現大功率T/R 組件可靠性設計。

圖6 器件壽命與溫度的關系Fig.6 Relationship between device life and temperature

3 結語

文中結合T/R 組件的工作原理，對影響大功率T/R 組件可靠性的關鍵技術進行設計與分析。通過與現有的基于GaAs 技術的T/R 組件設計電路對比分析，闡述了基于GaN 技術的大功率、高可靠性T/R組件的電路設計方法。同時，結合GaN 器件的特性，分析基于GaN 技術T/R 組件熱設計的改善與提高。相較于現有的GaAsT/R 組件，基于GaN 技術的T/R組件在功能性能方面表現優異，同時其可靠性水平也顯著提升，將進一步推動相關電子戰裝備的高質量發展。