近年來，功率放大器製造商一直在努力解決產品可靠性的問題，他們所獲得的成果也各有不同。2001年時，廠商開始將功率控制功能與功率放大器整合在一起，這種做法使得生產良率大幅改善...
近年來，功率放大器製造商一直在努力解決產品可靠性的問題，他們所獲得的成果也各有不同。2001年時，廠商開始將功率控制功能與功率放大器整合在一起，這種做法使得生產良率大幅改善。新技術的出現通常會以五年為週期，因此現在應該是出現另一波創新高潮的時刻。
行動電話對於散熱要求日益嚴格，這是因為訊號傳輸過程的負載週期很大，廠商還可能將多支天線整合到手機內。產業趨勢的改變迫使廠商必須確保功率放大器不會受到溫度過高的影響。
功率放大器的可靠性需要進一步改善。傳統的可靠性評估方式主要依賴有限的熱模型，以及平均故障時間(MTTF)等統計資料，它們通常會以特定溫度下的平均故障時間來代表產品的可靠性，這種做法其實並不適當，因為我們並不知道實際操作時的接面溫度。為了確保功率放大器的長期操作可靠性，設計人員必須進一步提升產品的品質。
本文將介紹平均故障時間的計算方法、熱模型的建立和一套用來排除元件壽命不確定性的電路，我們還會就未來如何改善功率放大器的可靠性提出具體建議。
業界多半利用廣為接受的統計方法來預測功率放大器的可靠性。不幸的是，製造商在評估時所依據的參數卻可能有所不同，例如有些製造商只引用活化能(Activation Energy)，有些則使用平均故障時間。然而可靠性是一種多面向的問題，不能只由某種屬性來代表，想要瞭解產品可靠性，就必須瞭解可靠性的計算方式。Arrhenius方程式是元件可靠性的基本計算公式：
(詳細公式請見新通訊55期9月號)
其中：
‧t1=溫度T1的平均故障時間
‧t2=溫度T2的平均故障時間
‧Ea=活化能(製程特性)
‧T1=計算t1時的溫度(凱氏溫度)
‧T2=計算t2時的溫度(凱氏溫度)
方程式(1)會根據已知的平均故障時間(t1)、故障活化能(Ea)，和故障溫度(T1)來計算溫度為T2時的平均故障時間(t2)。活化能是讓半導體元件出現特定故障現象的所需能量，方程式(1)經過整理後可得到方程式(2)，它是以平均故障時間(MTTF)來代表產品壽命。
(詳細公式請見新通訊55期9月號)
將方程式(2)繪製成溫度關係圖，即可看出可靠性與溫度之間的關聯性。圖1是兩種不同製程的平均故障時間，它們在125℃時的平均故障時間相同，唯一區別是活化能，其中一種製程的活化能為1.0eV(電子伏特)，另一種製程的活化能則為1.8eV。
圖1就能清楚看出可靠性與元件操作溫度的關係非常密切，例如活化能較高的製程雖在溫度低於125℃時有較長的壽命，但當操作溫度達到150℃時，低活化能製程的操作壽命就會比高活化能製程的壽命多出30億小時。圖1曲線的斜率代表該製程的活化能，因此曲線相對於溫度的斜率越大，就表示其故障率隨著溫度增加得越快。
有些工程師以活化能代表製程的品質，還有些工程師會直接引用特定溫度下的平均故障時間。從前述分析可清楚看出這兩種觀點都是過度簡化的可靠性表達方式：我們在判斷最佳活化能之前必須先考慮元件的操作溫度；同樣的，在引用平均故障時間時，也必須引用最惡劣操作溫度下的平均故障時間。這表示在評估可靠性時，我們必須同時考慮元件的操作溫度以及製程固有的故障率。
本文接著將分析功率放大器的接面溫度會受到操作條件和封裝的那些影響。
類似於歐姆定律的熱模型是最常用的峰值接面溫度分析法，它會以電流源(單位為瓦特)代表任何熱源，同時為所有材料指定熱阻抗(單位為℃/W)，這些材料還能儲存熱量，它們稱為熱容量(J/℃)，並以電容來代表。
圖2是功率放大器的單晶粒封裝模型。在執行靜態分析時，我們應將電容忽略，此時接面溫度就如同方程式(3)所示，相當於環境溫度Ta加上功耗與系統熱阻抗的乘積。動態分析則必須將熱容量一併列入考慮。
(詳細公式請見新通訊55期9月號)
將元件的參數代入方程式(3)即可求出接面溫度，例如無線網路功率放大器RF3220的參數值為：Rth=76℃/W；P_diss=0.997W；TA=85℃，將其代入方程式即可得到接面溫度為160.8℃。如前所述，接面溫度會受到功耗的影響，只要偏壓電流、輸出功率或效率改變，功耗就會跟著改變，使得接面溫度出現變化。
上述分析適用於封裝導熱性良好並在250mW輸出功率下操作的功率放大器。由於無線網路輸出功率較小，設計人員很容易將溫度控制在適當範圍內，使產品擁有更長壽命。
若將前述計算都假設負載為50Ω，圖3則是功率放大器在惡劣條件下工作的例子，它假設天線阻抗不匹配(負載不等於50Ω)並導致部份功率反射回功率放大器。阻抗不匹配的情形若很嚴重，從天線輻射出去的功率就會變得很少。由於物理定律要求能量守恆，反射回功率放大器的能量最終會以熱量的形式散逸；反過來說，功率放大器若因這些反射功率而溫度升高，就表示電話真正送出的功率並不多。必須注意的是在這些條件下，電話可能會因為發射功率不足發生斷線現象。
元件溫度究竟會受到阻抗不匹配的多大影響，主要是由其所採用的製程技術決定。矽晶片等熱導體的熱阻抗很小，因此散熱效率極高；GaAs等熱絕緣體的導熱性很差，故其溫度在阻抗不匹配情形下通常會變得較高。
要充份體會散熱管理的重要性，就應考慮GSM功率放大器在最惡劣條件下的操作，它有助於瞭解溫度升高對於元件可靠性的衝擊。
下列這個例子代表最惡劣的操作條件，設計人員在分析時應將其列入考慮：
‧GSM功率放大器的傳送功率為34.5dBm(最大功耗)
‧工作效率50%(電源電壓很高時，實際效率還可能更低)
‧層壓封裝(Laminate Package，熱阻抗值最大)
‧10:1輸出阻抗不匹配(最惡劣條件下的負載阻抗)
‧50%負載週期(GPRS class12)
‧環境溫度85℃
業界領導廠商從1999年起就知道層壓基板的問題很多，因此根據層壓封裝的熱阻抗進行計算最能顯示元件在惡劣條件下的操作情形，但由於功率放大器製造商並未公佈層壓封裝的熱阻抗值，因此下面將以導線架封裝的相關參數進行計算。我們會使用RF3220的參數資料，因為它是採用導線架封裝的異質接面雙極電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor)。
利用方程式(2)和(3)可計算出理想條件下的平均故障時間約為8×105年，典型操作條件下則為1.9×103年，最惡劣條件下的平均故障時間則減少至僅約1年；若以層壓封裝的熱阻抗和動態熱模型進行計算，那麼平均故障時間還會進一步縮短。
值得注意的是平均故障時間僅代表元件從開始到發生故障的平均時間，要瞭解最惡劣條件下的故障會於何時出現，我們必須考慮這項統計資料的分佈情形。標準品質程序規定製程能力(Cpk)為1.5，這相當於4.5個標準差。對於我們所討論的製程，其平均故障時間的標準差在對數座標上為0.6。由於我們必須在對數座標減掉4.5個標準差，而對數座標的減法又相當於線性座標的除法，因此前述的所有平均故障時間都要除以4.5×100.6，這表示最惡劣條件下的故障時間實際上比平均故障時間還要減少17.92倍。這些結果顯示若將最惡劣條件以及製程所導致的壽命時間分佈列入考慮，功率放大器的實際壽命可能從原來的幾千年縮短到少於一個月。
到目前為止，我們對於熱模型的討論都沒有考慮功率放大器的實際應用環境。在真實世界裡，功率放大器會安裝到電路板上，該電路板則會被熱阻抗很高的封裝材料包起來，功率放大器四週還會有許多不同的熱源。
要精確分析行動電話內的功率放大器接面溫度，我們必須建立圖4所示的模型，其中每顆元件都必須由一個會散發熱量的功率源代表。
從圖4可輕易看出行動電話的熱模型非常複雜，幾乎不可能以人工方式進行計算，我們需要三度空間熱模擬軟體才能精確預測接面溫度的最大值；換言之，要精確預測功率放大器在手機內的壽命時間幾乎是件不可能的任務。
如果功率放大器設計採用GaAs等熱阻抗較高的製程技術，那麼模擬結果的精確度還會變得更糟，這是因為GaAs的熱阻抗可達到矽晶片三倍。除此之外，GaAs的熱阻抗還會隨著溫度而改變，接面溫度升高，熱阻抗也會變大，如果設計人員使用的熱模型是從理想環境推導出來，那麼它就可能出現極大誤差。根據其他深入分析的結果，許多元件因素都會增加這類模型的複雜性，這些因素包括：
‧射極指狀結構(Emitter Finger)的間距會對熱耦合造成重大影響
‧GaAs異質接面雙極電晶體的自熱特性
‧偏壓電流可能導致元件的某個部份溫度特別高
‧偏壓電流的變動
‧較長的射極指狀結構會使得整個元件出現較大的熱梯度，同時讓射極指狀結構的某些部份出現熱失控的現象
‧需要非對稱元件結構才能維持均勻的溫度分佈
功率放大器仍是手機故障率最高的零件，其原因從熱模型的複雜性和它對於溫度的極端敏感性即可看出。因為如此，改善功率放大器的可靠性就變得非常重要。目前有兩種方法能夠解決這個問題，第一種方法是建立更複雜的模型，利用它來精確預測最惡劣條件下的接面溫度。然而建模並不能解決問題，它只能預測故障何時發生。第二種方法則是以特別方法設計功率放大器，使其溫度永遠不會升高到危險地步，這種做法應成為新一代功率放大器的可靠性標準。
過熱保護電路是解決這個問題的簡單方法，設計人員可將溫度感測器放在晶粒旁邊，由它來偵測接面的最大溫度。溫度感測器的設計有許多方式，圖5就是個例子：通過電晶體的電流會因為溫度改變而出現某些變化，這個變化電流會在電阻上形成電壓變動，對數放大器會感測這個變動電壓，然後產生正比於溫度的輸出值，最後再由比較電路提供誤差值輸出。當溫度超過預設值時，誤差輸出就會改變狀態，代表此時應將功率放大器關掉。這個電路的輸出可用來驅動某種禁能電路，由它來限制接面的最大溫度。
此電路確保功率放大器永遠不會進入可能導致元件壽命大幅縮短的危險操作區，這樣就能免除複雜困難的建模需求，並協助降低功率放大器的瑕疵率。多數功率放大器模組都包含許多晶片，故讓功率放大器內建保護電路以確保產品可靠性的做法也應成為業界標準。
溫度感測器的位置需視製程技術而定，若元件採用矽晶片等熱阻抗很小的製程技術，感測器的位置就變得不重要，因為矽晶片可將熱量均勻散開。但若元件採用GaAs之類熱阻抗很高的製程技術，溫度感測器的位置就應盡量靠近晶粒最熱的部份。功率放大器若未包含過熱保護電路，則為其建立模型時就要非常小心。如前所述，許多因素都須納入模型才能得到精確結果，某些製程的平均故障時間估計值也可能出現不一致的情形。
儘管科技發展已有長足進步，我們仍須思考如何繼續改善功率放大器品質。行動電話整合的功能越來越多，因此在加強射頻單元時，其成果必須能讓工程師把更多資源用於新增功能，而非侷限在射頻電路。要達成這個目標，可能的做法包括：
‧確保元件資料表的全部規格都適用於所有操作條件(溫度、電壓等)
‧改善功率放大器的額定濕度敏感性(Moisture Sensitivity)
‧增加電壓過載保護電路，以便在阻抗不匹配時保護功率放大器
根據現代品質標準，元件設計必須避免任何可能導致損壞的操作模式。目前所有電路設計都已遵循這項標準─除了功率放大器之外。
設計人員如果選擇了沒有過熱保護電路的功率放大器，那麼他們應要求供應商提供該元件在邊界操作條件下(Corner Lots)的平均故障時間資料，其中包括偏壓電流、輸出功率和效率的各種極端組合。除此之外，功率放大器供應商還須提供50%負載週期等最惡劣操作條件，以及10:1駐波比等最惡劣電流下的平均故障時間資料。供應商也應提供平均值和標準差的信心值等各種信心區間資料，這應該包括所有故障平均時間資料的標準差，它們可用來計算這些統計資料的信心值。最後，供應商應提供以晶粒最熱部份為參考點的全封裝熱阻抗和熱容量。
要蒐集這麼多資料並不容易，設計人員應改採更簡單有效的方法。功率放大器應能監測自己的溫度，並在溫度超過容許範圍時減少操作量，這種設計方法應該成為功率放大器可靠性的新標準。