Medida de la Resistencia Térmica en Amplificadores de Potencia de AsGa

Medida de la Resistencia Térmica en Amplificadores de Potencia de AsGa

Germán Torregrosa Penalva, Alberto Asensio López, Álvaro Blanco del Campo, Francisco Javier

Ortega González.

Abstract-- El tiempo medio de vida (MTTF) de los transmisores de RF depende básicamente de la temperatura de canal de los FETs de los amplificadores MMIC de potencia. Esta temperatura depende a su vez de la resistencia térmica Rth del MMIC y su montaje. Para conocer el parámetro MTTF es necesario determinar Rth con precisión. Este artículo revisa los métodos existentes propuestos para obtener Rth.

I. INTRODUCCIÓN

Actualmente son numerosos los equipos transmisores de radiofrecuencia, tanto en sistemas de comunicaciones como el LMDS, como en sistemas radar, que requieren una elevada potencia a su salida (superior a Pout>2W). La madurez que ha alcanzado la tecnología de fabricación de MMICs de AsGa hace que sea esta tecnología la empleada mayoritariamente para la producción comercial de amplificadores monolíticos de potencia, tanto en banda X como en banda Ka. El tiempo de vida MTTF (mean time to failure) de los módulos transmisores que integran MMICs de este tipo, formados por lo general por sucesivas etapas de combinación de FETs simples, viene dado por la temperatura Tch que alcanza el canal de los transistores FETs. La temperatura Tch depende de la resistencia térmica Rth del AsGa y de la Rth que presenta la estructura de montaje del MMIC utilizada.

Para aumentar el tiempo de vida basta con minimizar Tch para lo que resulta imprescindible hacer mínima Rth mediante, por ejemplo, el empleo de una aleación AuSn para fijar el MMIC a un carrier metálico que garantice una buena disipación del calor. Sin embargo, el uso de este tipo de aleaciones en aplicaciones de bajo coste es inviable. Adhesivos como el epoxy, aunque no recomendados, son en la práctica un requisito para equipos de producción industrial y bajo coste para fijar el MMIC. Este tipo de adhesivos presenta una Rth muy superior a la del AuSn. Con el fin de conocer con exactitud las prestaciones del equipo transmisor en cuanto a su MTTF, el diseñador de módulos transmisores de potencia necesita conocer con precisión cuál es la Rth de su montaje, incluyendo el material utilizado para fijar el amplificador.

En este artículo se describen distintos métodos empleados para la caracterización de la Rth de diferentes MMICs en las bandas X y Ka, fijados a un soporte metálico con resina conductora epoxy plateada.

II. EXTRACCIÓN DE LA RTH MEDIANTE MODELADO DE LOS FETS

Si se miden las curvas de continua (ID-VD como función de VG, ver fig. 1) del MMIC cuya Rth se desea calcular, para diferentes temperaturas ambiente Tamb, es posible extraer los parámetros que caracterizan al dispositivo, de acuerdo a alguno de los modelos disponibles en la literatura, en función de la temperatura.

FIGURA 1 . Curvas de continua del amplificador de Triquint TGA9083. Los ajustes

se realizaron para diferentes valores de Rth utilizando elmodelo de TOM.

La temperatura Tch en cada punto de las curvas de DC vendrá dada por la siguiente expresión:

Tch = Tamb + Pdis Rth .

En el proceso de extracción de los parámetros del modelo utilizado es posible obtener también Rth. Sin embargo en los modelos existentes la obtención precisa de Rth no es factible bien porque el modelo incluye ya un parámetro que actúa en parte como Rth, caso de δ en [1] o de Ct en [2], bien porque la dependencia con la temperatura no está correctamente planteada [3].

III. EXTRACCIÓN DE LA RTH MEDIANTE SIMULACIÓN NUMÉRICA

Otra manera de predecir la Rth consiste en resolver el problema integro-diferencial del flujo de calor haciendo uso de herramientas [4], como los elementos finitos o las diferencias finitas, para la estructura de materiales del MMIC y montaje en cuestión y para unas condiciones de frontera determinadas. Sin embargo la precisión de este tipo de estimaciones de la Rth está muy condicionada por el desconocimiento por parte del diseñador del sistema transmisor tanto de la estructura interna del amplificador de potencia, como de la dependencia de las propiedades de los materiales empleados con la temperatura [5].

IV. EXTRACCIÓN DE LA RTH MEDIANTE MÉTODOS INDIRECTOS

Los métodos indirectos más comúnmente utilizados para medir la Rth son el método del cristal líquido y los rayos infrarrojos. El método del cristal líquido, aparte de adolecer de cierto grado de subjetividad en la medida, puede alterar las propiedades térmicas del MMIC y es invasivo, y por tanto no apto para dispositivos caros. La medida mediante infrarrojos [6] requiere un equipo caro y complejo, y además su precisión en la determinación de Rth está íntimamente relacionada con la resolución espacial del equipo de medida.

V. EXTRACCIÓN DE LA RTH MEDIANTE MÉTODOS DIRECTOS

La Rth del amplificador también se puede obtener mediante la medida directa de un parámetro del MMIC cuya variación con la temperatura se conoce ( α = f (T ) ). Dicho parámetro α se mide en dos condiciones distintas de potencia disipada, pero es necesario que la temperatura del dispositivo en ambos casos sea la misma, para lo cual es evidente que la medida precisa una rápida conmutación entre ambos estados. De dichas medidas se puede calcular la Rth como sigue:


En [7]  el  parámetro α  utilizado es  la  resistividad de  la metalización de puerta del FET. Su principal inconveniente reside en que es necesaria una topología concreta de FET que no es la habitual en MMICs comerciales de potencia. En [8] el parámetro utilizado es la propia corriente de drenador ID.

El método directo tradicionalmente empleado [9] hace uso de la dependencia de la unión Schottky puerta-fuente en directa con la temperatura. Este método no es aplicable sin embargo en amplificadores con elevadas IDSS. Otro tanto le ocurre al método propuesto en [10] que realiza una medida parecida de la misma unión Schottky empleando para ello sólo medidas de DC, sin utilizar ninguna conmutación entre estados de distinta Pdis.

Finalmente mencionar que haciendo uso tanto de medidas en continua como pulsadas, también es posible el cálculo de la Rth, ya sea bien utilizando como parámetro de medida la ganancia  en  pequeña  señal  del  amplificador  [11]  o,  de nuevo, ID [12].

VI.  CONCLUSIONES

Se  han planteado distintos métodos para  la  obtención o medida de la resistencia térmica de amplificadores MMICs de    potencia    indicando    sus    puntos    fuertes    y    sus inconvenientes.

REFERENCIAS
[1]        An Improved GaAs MESFET Model for SPICE. A. J. McCamant, G. D. McVormack, D. H. Smith. IEEE TMTT, Vol 38, No 6, 1990.
[2]        An  Accurate  Large-Signal  Model  of  GaAs  MESFET  Which Accounts for Charge Conservation, Dispersion, and Self-Heating. C. Wei, Y. Tkachenko, D. Bartle. IEEE TMTT, Vol 46, No 11, 1998.
[3]        Modeling   of   Frequency  and   Temperature   Effects   in   GaAs MESFETs. P. C. Canfield, S. C. F. Lam, D. J. Allstot. IEEE JSSC, Vol 25, No 1, 1990.
[4]    TXYZ  Program  for  Semiconductor  IC  Thermal  Analysis.  J.
Albers. 1984.
[5]        Electrical and Thermal Characterization of MESFETs, HEMTs, and HBTs. R. Anholt. Artech House Inc., 1995.
[6]        Thermal Resistance Measurement by IR Scanning. L. G. Walshak and W. E. Poole. Microwave Journal, February, 1977.
[7]    A  DC  Technique  for  Determining  GaAs  MESFET  Thermal
Resistance. D. B. Estreich. IEEE TCHMT, Vol. 12, No. 4, 1989.
[8]        A  Novel  Non-Destructive  Method  for  Assessing  the  Thermal Resistance of Power GaAs RF-MMIC Amplifiers. R. Petersen, W De Ceuninck, L. De Scepper. High Frequency Postgraduate Student Colloquium, 2000.
[9]    MIL-STD-750D. Method 3104.

Asignatura: CRF
Dujeiny J. Sánchez Q.

Extraido de: http://www.docstoc.com/docs/3269041/Medida-de-la-Resistencia-T%C3%A9rmica-en-Amplificadores-de-Potencia-de