基于宽禁带半导体GaN的高温电子电路研究.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于宽禁带半导体GaN的高温电子电路研#究**沈鸿媛，杨杰，苑振宇，叶柠，陈云娜5（东北大学信息科学与与工程学院，沈阳110819）摘要：航空航天、石油钻探、火力发电和核能等行业都需要在高温环境下工作的电子系统，而硅半导体器件的最高工作温度只有150摄氏度，远远不能满足实际需求。由于有着更高的禁带宽度，GaN等宽禁带半导体器件的工作温度远远高于硅半导体器件。本文从电路设10计的角度，通过对高温基板的选择，高温器件的选型，高温电路的互连方式进行分析，用厚膜电路技术方案，通过PCB设计、网版印刷、高温烧结等一系列流程制作出可以耐高温的线路板。并搭建了基于高温宽禁带半导体GaN在25℃到300℃宽温区测试的高温电路测试平台，对电路进行全温度的测试，并和仿真结果进行对比，验证电路仿真的正确性。最终通过实时信号测试仪接收无线传感信号并成功解调，得到频偏与输入信号的关系，实现在15300℃高温下传感电子单元的设计。关键词：GaN；高温电路；传感电子单元中图分类号：TN302Theresearchofhightemperatureelectriccircuitbasedon20widebandgapsemiconductorGaNShenHongyuan,YangJie,YuanZhenyu,YeNing,ChenYunna(Collegeofinformationscienceandengineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819)Abstract:Ectronicsystemworkingathightemperatureisrequiredinaerospace,oildrilling,thermalpowerandnuclearpowerandotherindustries.Themaximumworkingtemperatureofsilicon25semiconductordevicesonly150℃isfarfrommeetingtheactualdemand.Becauseofthehigherbandgapwidth,widebandgapsemiconductordevicessuchasGaNoperatingtemperatureismuchhigherthanthatofsiliconsemiconductordevices.Thisarticlefromtheperspectiveofcircuitdesignbasesonselectionofhightemperaturesubstrateanddevices,analysisofinterconnectionwithhightemperaturecircuitandschemeofthickfilmcircuittechnology.Throughaseriesoftechnologicalprocesssuchas30PCBdesign,screenprintingandhighsintering，hightemperatureresistantcircuitboardisproduced.Andsettingupafulltemperaturetestplatformofhightemperaturecircuitranges25℃to300℃basedonwidebandgapsemiconductorGaN.Throughcomparisonwiththesimulationresults,thecorrectnessofthesimulationcircuitisverified.Finally,thewirelesssensorsignalisreceivedanddemodulatedbythereal-timesignaltester,andtherelationshipbetweenthefrequencyoffsetandtheinputsignalis35obtained.Thedesignofthesensorelectronicunitisrealizedatthetemperatureof300℃.Keywords:GaN;hightemperaturecircuit;sensorelectronicsunit0引言在航空航天，石油钻探，火力发电等基础性行业中，很多机械设备在运行过程中都伴随40着包括高温、高压等恶劣的工作环境，对于健康监测系统也必须放置在这些极限的状况下，比如汽车和飞机发动机、火力发电设备、化工反应炉、在太阳附近执行任务的航天器以及卫基金项目：博士点新教师类基金（20130042120023）作者简介：沈鸿媛，1985年出生，女，讲师，研究方向高温宽禁带半导体的建模与仿真，极限环境电子系统的研究，场致发射显示微纳器件的研究通信联系人：杨杰，1975年生，男，教授，硕导，主要研究方向基于绝缘体上硅和宽禁带半导体材料的，工作温度200-500摄氏度的高温电子系统的研究，特别是高温无线传感器，高温功率模块以及高温电子封装.E-mail:yangjie@ise.neu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn星设备等。而这种恶劣的工作领域的传感和监测系统则需要在200℃甚至更高的温度下。例如，对发动机内部进排气歧管的健康监测需在200~300℃的高温环境下进行；飞机的涡轮发[1]动机的不同的微喷位置需在300℃以上的环境下对其进行健康管理监测等。这就必须要有45能够在恶劣工况，特别是高温下能正常工作的传感器，实时监测高温设备内关键部件的健康状况以预防随时可能出现的失效及伴随而来的灾难性后果。由这样的高温传感器和匹配的执行器组成的控制系统还能对高温设备的运行参数进行实时的监测和调整，以保证设备始终运行在理想的工作状况下。因此在高温和其它恶劣工况下正常工作的传感器作为实现高温设备实时监控的关键，已经成为当前传感方向研究的热点。50高温电路设计不同于普通的电路设计工艺，半导体器件、电路元件、甚至电路板本身的特性都会随温度变化而改变，从而导致电路状态随温度而改变。传统的电路设计工艺在150℃左右已经不能正常使用，更不能满足高温200℃以上的电路设计需求，所以不仅要考虑到高温有源器件与无源器件的选择，高温基板、高温电路工艺的选择，还必须关注高温器件能够在极限温度下的特性，以确保电路能够在目标范围内工作，半导体器件、电路元件、55甚至电路板本身的特性都会随温度变化而改变，从而导致电路状态随温度而改变。1高温电路设计1.1高温电子基板的选择常用的PCB标准材料在130℃至180℃时可在任意位置发生玻璃化转变，依具体成分而定。已有实验证明：在145℃的环境下，敷铜环氧树脂板试验电路已不能长期使用，175℃[2][3]60的环境温度下根本不能使用。因此，选择合适的高温基板的材料至关重要。陶瓷基板有优良的机械强度，能经受住热冲击实验和温度循环后不产生损伤；有着良好的导热特性，而且热膨胀系数小，使用温度宽在-55℃到850℃，适用于高温环境；具有耐抗侵蚀和磨耗型；高电气绝缘特性；低介电常数、介电损耗；高温环境下稳定性好，目前研究最为成熟的陶瓷材料是氧化铝材料，它具有良好的电气性能和机械性能，价格便宜，硬度[4]65较高，与金属附着力强，是一种综合性能比较好的陶瓷基板材料。表1基板材料最高工作温度Table1Themaximumoperatingtemperatureofsubstratematerials基板材料最高耐温值/℃环氧树脂180聚酰亚胺260陶瓷8501.2高温电子元器件的选型电子元器件的选型是高温电路设计首先要解决的关键问题，其中温度是重要参数，当超70过元器件的极限温度后，器件的工作温度会急剧下降，温度过高直接导致器件失效以及损坏。为了满足高温电路的设计要求，电子元器件的工作温度必须在200摄氏度及以上。（1）高温功率器件-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn常用的功率器件的封装采用塑料封装，只在不超过175℃是保持鲁棒，在高温环境下最[5]好采用裸片形式的器件，避免因器件封装的损坏而限制器件的使用范围。而且，降低器件75的热阻是提高器件使用温度的有效方法。电子器件的热阻包括电子器件的芯片到其外壳的热R(jc)R(ca)阻T和外壳到周围环境的热阻T两部分：RR(jc)R(ca)TT（1）R(jc)热阻T是由许多因素引起的，比如半导体芯片的尺寸，芯片粘结材料，键合导[6]R(jc)电丝的材料、直径、长度以及器件的外壳的材料和表面积大小等。T主要是由元器80件与基板之间的距离以及散热措施相关。为了减小热阻，本文采用引线键合的连接方式，将GaNHEMT器件以裸片形式通过金线键合到陶瓷基板表面的导电浆料上，提高器件的最大限制温度，实现高温电子电路整体性能的提升。（2）高温电阻电阻的温度范围和功耗有一定的关系。图1为常见的250℃高温电阻功耗百分比与温度85的关系曲线。可见随着温度的升高，可允许使用的功耗范围越小，所以，为了实现更高温度的电路设计，尽可能的降低电路功耗，提高电路的设计温度。图1高温电阻功耗与温度的关系Fig.1TherelationshipbetweenpowerconsumptionofHTresistanceandtemperature90为了选择满足高温传感电子单元电路需求的高温电阻，如表2和表3中列出了军工的高温电阻器的最高额定温度以及其相应温度系数。本文选用高温薄膜电阻，挑战其极限温度，并利用其高稳定性，以及其镀金端子的封装技术，增加键合的强度，减小电路失效的可能性。表2常见表面贴装式高温电阻示例Table2CommerciallyavailableHTsurface-mountresistortechnologies最高额定温度温度系数电阻类型说明(℃)(ppm/℃)绕线280200阻值小，高浪涌能力，稳定厚膜300100-250通用，可用范围小薄膜25025、100、200紧凑。低TC、高稳定性金属元素27575~750电阻阻值小，一般在1Ω以下下金属箔2252.5~50可制作温度系数低的电阻金属薄膜280100高精度，可制备阻值范围大95表3常见通孔式高温电阻示例-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnTable3CommerciallyavailableHTthrough-holeresistortechnologies最高额定温度温度系数电阻类型说明(℃)(ppm/℃)绕线350、35530~90大功率厚膜22025~100低TC，小容差，一般为大阻值电阻金属元素35020电阻阻值小，一般在0.1Ω以下金属箔250230~950电阻阻值小金属氧化物薄膜275350通用金属薄膜275350现可制备的阻值较小陶瓷复合2201000~1600碳素电阻在高温下的替代品（3）高温电容电容的容量与温度之间的关系用温度系数来表示。在振荡电路中，电容是决定整个电路频率的关键器件，应该充分考虑到温度对电容容量的影响，否则，所涉及的振荡电路的频率100就会随着温度的变化而变化，导致电路中心频率不稳等问题。NP0（C0G）陶瓷电容的温度系数非常小，单位往往在几十ppm/℃以内，容量在基准值上下变化很小，温度系数大约在[7][8]±30ppm/℃。其电气性能稳定，基本上不随温度、时间、电压的改变而改变，适用于对稳定性，可靠性要求较严格的场合，由于电气性能稳定，可很好的工作在高频、特高频、甚高频频段。105表4中总结了现在商用的高温电容器件。在高温电路中，为了减弱温度对电路变化的影响，最有选用C0G电容，其基本不受温度的影响，有较高可靠性，而且可以满足频率使用要求。另外在高温电路中，使用X7R等温度系数比较大的电容，通过其与温度的函数关系来表征温度的信息。表4常见高温电容示例110Table4CommerciallyavailableHTcapacitortechnologies电容类型最高额定温度()℃说明云母和PTEE电容200容值范围大，表面贴装式硅电容250尺寸小钽电容230通用MLCC（陶瓷）C0G/NP0260低温度系数(TC)，通孔封装MLCC（陶瓷）X7R260通用，通孔封装（4）高温电感电感元件的质量直接影响了整个电路系统的工作性能，但是在高温的环境下，将会使电感失效。其是影响调谐电路和压控振荡器等电路性能的关键元件之一。为了制作能够在高温的环境下正常工作的电感，本文选用高温烧结技术，把平面螺旋电感印制在耐高温、热传导115性好的陶瓷基板上，导体浆料选用高导电率的银材料，这样不仅可以满足耐高温的特性要求，又可以保证良好的选频特性和较低的插入损耗，提高电路的品质因数。[9]平面电感总电感值的计算可以采用面电流近似公式进行计算，其表达式为：-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2ndavg2L[ln(2.46/)0.2]2（2）其中，平均直径：davg0.5(doutdin)；填充系数：(doutdin)/(doutdin)；n70410120代表螺旋电感的圈数；是相对介磁常数，在这里指空气的介磁常数。本电路设计平面圆形螺旋电感如图2所示。图中内部端子的位置由于与外部导线跨度较大，故采用铝线键合的形式进行连接。图2平面螺旋电感125Fig.2Planarcircularspiralinductor电感设计参数如表5所示，并通过式（2）计算，得到室温下电感值为L420.5nH，满足本设计的需要。表5电感的设计参数Table5Designparametersoftheinductorndin(mm)dout(mm)S(mm)w(mm)3.7515.525.50.60.8130由于电路基板采用的是氧化铝陶瓷基板的膨胀系数低，在高温下，物理形状几乎没有改变，使得电感在高温下的变化也不大。又因为电感的感值由线圈的圈数、大小形状和介质所决定，所以在此忽略温度对电感值得影响。1.3高温电路互连方式一般情况下，使用的标准焊锡熔点大多都低于200℃。但是，有一些特制的高熔点135（HMP）合金焊料可以达到295℃，但是即便在这些情况下，其推荐的最工作温度在250℃左右。在挑战极限温度的电路设计的过程中受到很大限制，为了解决此问题，采用引线键合的方式对器件进行封装。芯片互连能够实现集成电路中晶体管和其他元件间的电气连接系统，主要是芯片上的接点焊区用引线连接到封装基板或者外壳的引脚上，即完成芯片与封装外引脚间的电流通路。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn140图3分立元器件引线键合图Fig.3ThefigureofwirebondingofDiscretecomponents2高温厚膜电路制作2.1厚膜工艺145近年来，厚膜混合集成电路已经成为提高电路的集成度，减小系统体积和重量，实现军[10]用电子装备小型化的组装技术，并受到各国的高度重视。厚膜混合微电路是以陶瓷等绝缘材料为基板的一种电路封装手段，它的耐高温性能优于传统的PCB设计方法。随着厚膜浆料、基板材料和工艺技术的不断成熟，厚膜工艺开发周期不断缩短，成本逐渐降低。其凭借好的高频性能、高可靠性、灵活的芯片组装技术，已经广泛应用于军事、航空、航天、汽150车发动机等领域。2.2制作流程厚膜电路的基本工艺是利用丝网印刷技术把导电浆料等印刷在陶瓷基板上，然后在高温下烧结而成，图4为厚膜电路制作的整个流程图。陶瓷基板丝网印刷高温烧结155图4厚膜电路设计流程图Fig.4Flowchartofthickfilmcircuitdesign加工完成后高温传感电子单元电路的制作工艺直接影响到电路温度承受能力，构成电路的材料都是采用耐高温等级的。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn160图5高温传感信号处理电路原型Fig.5Theprototypeofhigh-temperaturesensingelectronicscircuit3高温传感电子单元仿真与测试分析为了验证电路器件参数设计以及拓扑结构的合理性，本文结合软件系统的仿真平台进行了传感电子单元的系统仿真，采用实验室已建立的GaNHEMT高温模型，其他电阻、电容165元件并搭建高温环境电路测试平台，对实物仿真结果进行分析和总结。3.1高温信号放大模块结果分析图6左图为高温差分放大电路在25℃和300℃时的瞬时仿真和实测结果。其中红色实线表示输出信号波形，蓝色实线表示输入信号波形。有仿真结果可以看出：输出信号在25℃和300℃的电压幅值分别为1.40V和776mV，放大倍数由14V/V下降到7.8V/V，电压增益170在300℃下降约44.3%。将实物被放置在加热台上，对其从25℃到300℃进行测试。交流耦合增益测试结果如图6右图所示，输出信号波形在25℃和300℃的电压幅值分别为1.312V和760mV，放大倍数从13.1V/V下降到7.6V/V。对比实测结果，在25℃时，仿真比实测结果高6.7%，在300℃时，比实测结果高2.1%。可见，GaNHEMT的仿真模型比较准确。175图6a25℃下氮化镓差分放大电路的仿真结果（左）和实测结果（右）Fig.6aThesimulation(left)andmeasured(right)resultsgalliumnitridedifferentialamplifierat25℃-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图6b300℃下氮化镓差分放大电路的仿真结果（左）和实测结果（右）Fig.6bThesimulation(left)andmeasured(right)resultsgalliumnitridedifferentialamplifierat300℃1803.2氮化镓差分放大器的仿真结果加入温度补偿后，在宽温度范围内增益变化减小。图8为从25℃到300℃电路增益随温度的变化曲线，可见温度补偿后的放大倍数明显比补偿前变化减小。因此可以很好地满足后续电路的要求。185图7补偿前后的输出增益随温度变化的曲线Fig.7Theoutputgainversustemperaturecurvebeforeandaftercompensation3.3高温整体输出信号测试分析将整个传感电子单元放置在加热板上，通过给定激励电压，并使用直流电源施加0mV到100mV输入信号。输出信号采用高分辨率的实时信号分析仪对传感电子单元电路的输出190调频波进行实时地采集并解调，高温传感电子单元在25℃~300℃范围内都是可以正常工作的。通过在25℃~300℃内进行测试获取了频偏与输入信号的线性关系，如图9所示。-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图825℃和300℃时频偏与输入信号的关系195Fig.8Therelationshipbetweenfrequencydeviationandtheinputsignalat25℃and300℃整个传感电子单元的无线信号的频偏值会在25℃和300℃之间变化。需要得知环境温度，然后通过频偏的大小得知输入信号的值。由于GaNHEMT器件受温度影响导致输出静态工作点不稳定，因此输出信号在输入信号为零的时候能够解调出幅值不为零的方波信号。但是，初始频偏的大小不影响传感信号的测量。传感电子单元输出信号与输入信号的函数关200系可以通过建立频率偏移（方波幅值）与输入信号的关系式来确定。4结论本文首先对高温基板的选择、高温器件的选型、高温电路的互连方式进行分析，用厚膜电路技术方案，通过PCB设计、网版印刷、高温烧结等一系列流程制作出可以耐高温的线路板。并搭建了基于高温宽禁带半导体GaN在25℃到300℃宽温区测试的高温电路测试平205台，对电路进行全温度的测试，并和仿真结果进行对比，验证电路仿真的正确性。最终通过实时信号测试仪接收无线传感信号并成功解调，得到频偏与输入信号的关系，实现在300℃高温下传感电子单元的设计。[参考文献](References)[1]NeudeckPG,OkojieRS,ChenLY.High-TemperatureElectronics:ARoleforWideBandgap210Semiconductors?[C].ProceedingsoftheIEEE,2002,90(6):1065-1076.[2]娄书礼.高温工作寿命试验技术研究[J].固体电子学研究与进展,1993(2):179-181.[3]WatsonJ,CastroG.High-TemperatureElectronicsPoseDesignandReliabilityChallenges[J].AnalogDialogue,2012.[4]张兆生,卢振亚,陈志武等.电子封装用陶瓷基片材料的研究进展[J].材料导报,2008,22(11):16-20.215[5]WatsonJ,CastroG.Areviewofhigh-temperatureelectronicstechnologyandapplications[J].JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2015,26(12):9226-9235.[6]姜国.井下仪器高温电路设计方法研究[J].石油仪器,2005,19(3):58-60.[7]PhillipsR,BultitudeJ,GuravA,etal.Hightemperatureceramiccapacitorsfordeepwellapplications[J].2013.[8]BunelC,LengignonL.SiliconCapacitorswithextremelyhighstabilityandreliabilityidealforhigh220temperatureapplications[J].2013,2013(HITEN):08-12.[9]MohanSS.Thedesign,modelingandoptimizationofon-chipinductorandtransformercircuits[J].ThesisStanfordUniversity,2000.[10]王志会.应用于微波和RF电路中的厚膜材料和工艺[J].微纳电子技术,2000(2):21-29.-9-'