提高微波功率晶體管可靠性

1 引言

微波功率晶體管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)微波功率管)是指用于微波頻段的功率放大，輸出較大功率，散發(fā)出較高熱量的晶體管。微波功率管是固態(tài)發(fā)射機(jī)及T/R組件的核心器件，其可靠性對(duì)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)起著決定性的作用。微波功率管的可靠性分固有可靠性和使用可靠性?xún)刹糠?。固有可靠性主要靠生產(chǎn)廠在器件的設(shè)計(jì)、工藝、原材料選用等過(guò)程中來(lái)保證。而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，器件的使用方一產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，對(duì)器件的選擇、使用過(guò)程中存在某些失控所導(dǎo)致的器件失效比例幾乎占到器件總失效率的50％。所以，作為微波工程師，除了按照要求選用合適質(zhì)量等級(jí)的微波功率管外，在使用當(dāng)中也有諸多的注意事項(xiàng)，以保證微波功率管的使用可靠性。 2瞬態(tài)過(guò)載微波功率管存在一個(gè)安全工作的范圍，即通常所說(shuō)的安全工作區(qū)(如圖1所示)。他是一個(gè)由最大集電極電流ICM，雪崩擊穿電壓BVCEO，最大耗散功率PCM和二次擊穿觸發(fā)功率PSB這些參數(shù)所包圍的區(qū)域。這些均為功率管的極限參數(shù)，設(shè)計(jì)師在使用微波功率管時(shí)，為保證可靠性，一般都會(huì)有意識(shí)地使器件工作參數(shù)落在安全區(qū)內(nèi)，且有一定程度的降額。但是，微波功率管在正常使用當(dāng)中可能發(fā)生某些電應(yīng)力的瞬態(tài)過(guò)載，易使器件損壞，而這些在設(shè)計(jì)中往往沒(méi)有被考慮或未引起足夠的重視。

2．1 派涌電壓(電流)

雷達(dá)發(fā)射機(jī)用微波功率管一般工作在脈沖狀態(tài)，輸入信號(hào)為一個(gè)矩形脈沖波，其工作電流在幾百納秒甚至幾納秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大變化，而電荷的儲(chǔ)存和釋放均需要一定的時(shí)間，所以在脈沖啟動(dòng)或關(guān)斷時(shí)的轉(zhuǎn)換瞬間便有浪涌出現(xiàn)。圖2為某脈沖功率放大晶體管在使用時(shí)集電極的電壓波形。

如果電壓(電流)過(guò)沖超出允許范圍，微波功率管就會(huì)因?yàn)閾舸┒粺龤Щ驅(qū)е掠谰眯該p傷，另外，浪涌還會(huì)通過(guò)電磁輻射影響其他電路。

為了防止浪涌，需要加保護(hù)電路。比較簡(jiǎn)便的方法是接旁路電容(有時(shí)稱(chēng)去耦電容)。這是因?yàn)槔擞侩妷壕哂泻芨叩念l率成分，故在饋電電路上接旁路電容加以抑制。旁路電容應(yīng)該是低電感的高頻電容，如多層陶瓷電容和鉭電解電容。保護(hù)電路常用的方法還有加鉗位二級(jí)管來(lái)限制浪涌電壓的幅度。

2．2 失配

一般來(lái)說(shuō)，微波功率管的輸入、輸出阻抗都很低，如BJT輸入阻抗實(shí)部只有幾個(gè)歐姆。故功率晶體管在使用中都要與系統(tǒng)阻抗(一般為50 Q)匹配。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，均會(huì)盡量使微波功率管處于匹配狀態(tài)或失配很小在允許的范圍內(nèi)。但通常在放大器中需要多級(jí)晶體管級(jí)聯(lián)工作，后級(jí)放大電路作為前級(jí)放大器的負(fù)載，其特性發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致前一級(jí)的負(fù)載失配，負(fù)載駐波系數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)晶體管輸出較大功率時(shí)，輸出電路的失配甚至?xí)辜姌O受到數(shù)倍于電源電壓的瞬時(shí)峰值電壓，造成燒毀。

為了防止微波功率管在使用中的失配而燒毀，需加強(qiáng)放大電路之間的級(jí)間隔離，如在每級(jí)之間加隔離器，利用隔離器的單向傳輸特性使得負(fù)載變化對(duì)功率管的影響減弱，起到保護(hù)功率管的作用。一般在大功率使用情況下，應(yīng)盡量避免兩級(jí)以上的晶體管放大器無(wú)隔離的級(jí)聯(lián)。 3結(jié)溫和熱阻

微波功率管是溫度敏感的器件。對(duì)于硅管，最高結(jié)溫Tjm一般在200℃，而鍺管一般在125℃。結(jié)溫對(duì)功率管的可靠性有很?chē)?yán)重的影響，如NPN功率管，在 140℃下的故障率為20℃時(shí)的7．5倍。故從可靠性設(shè)計(jì)的角度考慮，在使用中要盡量降低微波功率管工作時(shí)的最高結(jié)溫，即對(duì)結(jié)溫采用降額。

微波功率管工作時(shí)的結(jié)溫有以下表達(dá)式：

其中，Ta為環(huán)境溫度，RT是晶體管的散熱熱阻，PCM為晶體管的最大耗散功率，RT又包含晶體管的內(nèi)熱阻、散熱材料的熱阻(又稱(chēng)外熱阻)以及晶體管與散熱材料的接觸熱阻3部分。

從式中看出結(jié)溫的降額途徑，一是降低微波功率管的最大耗散功率，即對(duì)電壓、電流進(jìn)行降額使用；二是改進(jìn)散熱方式，降低RT。外熱阻是由材料的特性決定的。內(nèi)熱阻決定于器件設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)和工藝，是半導(dǎo)體自身的屬性。設(shè)計(jì)師應(yīng)盡可能選擇內(nèi)、外熱阻小的器件和材料。為了減少功率管外殼與散熱器間的接觸熱阻，可采取的措施有：確保接觸表面平滑，扭緊螺釘來(lái)加大接觸壓力，用導(dǎo)熱化合物填塞空隙等。

4參數(shù)漂移

微波功率管在使用中會(huì)遇到參數(shù)漂移的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免敏感設(shè)計(jì)，使得晶體管在電路或環(huán)境等參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，仍能正常工作，這也就是可靠性設(shè)計(jì)中的容差設(shè)計(jì)。

引起參數(shù)變化的因素包含加工制造公差、溫度變化、輻射影響等(在討論使用可靠性時(shí)，我們忽略了微波功率管自身參數(shù)隨時(shí)間的變化)。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)借助試驗(yàn)手段，掌握有關(guān)參數(shù)變化產(chǎn)生的影響--如通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)獲得微波功率管參數(shù)隨溫度變化的特性，通過(guò)電壓拉偏試驗(yàn)了解其對(duì)指標(biāo)的影響等。也可以用CAD手段進(jìn)行容差設(shè)計(jì)。圖3為用微波仿真軟件設(shè)計(jì)電路的某一參數(shù)在變化5％(模擬加工公差)時(shí)，使得端口參數(shù)Su在一定的范圍發(fā)生變化。通過(guò)仿真，可以判斷某參數(shù)是否為敏感的參數(shù)，其可能的變化范圍是否會(huì)影響電路的正常工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于微波功率管電路參數(shù)的復(fù)雜性，其工作條件的個(gè)體差異性，所以微波功率管的可靠性設(shè)計(jì)工作也是一個(gè)復(fù)雜的工程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體情況進(jìn)行分析，抓住主要矛盾，這樣才能快捷地解決問(wèn)題，有效利用微波功率管的壽命周期。