在電子電路設計中，開始通常假設元器件在室溫下工作。單片微波集成電路設計，尤其是，當直流電流流過體積日益縮小的器件時導致熱量成兩倍，三倍甚至四倍高于室溫，就違反了元器件在室溫下工作的假設。此種情況下會對設計工作于室溫下的元器件相位，增益，效率，噪聲和互調失真產生影響。電路設計人員需要將電——熱集成在一起的分析工具，以解決這些性能問題。

隨著雷達和通信設備功率密度的不斷增加，設備的可靠性變成了一個設計問題。基站及固定無線應用的產品生命周期要遠遠長于終端，因此，現場故障的代價是昂貴的。能夠保持超過規定的使用壽命性能的高度可靠的設備是必須的。安裝在赤道地區的基站，室外安裝的組件需要在85°C的環境下操作。為了確保能夠連續的操作，元器件的可靠性平均故障值通常需要超過106個小時。

場效應管失效與節點溫度直接相關——由流過場效應管溝道的直流電流產生熱源。為了最大限度的提高平均無故障時間，要使相對于環境的峰值節點溫度達到最小。單個設備的溫度受到與其它設備在芯片上的相對位置的影響。因此，設計者需要有一個可以快速評估一個特定的布局的峰值結點溫度的能力。一旦布局好一個器件后，有各種不同的技巧測量溫度【參考1】。然而，這并不能在設計階段提供幫助，并在幾何分辨率上有一個限制，使亞微米級別的場效應管的溝道長度的設計極具挑戰性。

節點溫度可以采用熱分析軟件確定，并可提供足夠的細節以及材料特性[參考2-4]。SYMMIC™ from CapeSym是專門為單片微波集成電路設計者設計的在設計階段使用的熱分析工具，并且此工具與AWR公司的射頻/微波設計軟件Microwave office™集成在一起。與非集成的熱求解器相比，這個集成是基于腳本的并且需要最少的人工干預。Microwave office軟件中電路的布局可以輕松的導入到SYMMIC里進行整個單片集成微波電路溫度的評估。雷達和通信系統的單片微波集成電路可以被進一步的分析來確定在單個場效應管的子系統設計對峰值節點溫度的影響。

什么使得SYMMIC不同

大多數熱分析工具是為了一般的用途而設計優化的。這種通用化，使他們難以適用于特殊問題，比如單片微波集成電路的熱行為的分析。用戶使用通用的熱軟件包的挑戰包括定義詳細的單片微波集成電路的結構布局和半導體/介質/導體層的堆棧以及射頻/直流工作條件。SYMMIC應用需要一個完全不同的方法來顯著的降低一個單片微波集成電路的設計者所面對的復雜性和障礙。

SYMMIC的基于模板的方法，允許用戶在電路布局中分別定義工藝技術和熱堆棧。不同的設計可以重復使用這些模板。一旦一個砷化鎵場效應管被定義成一個模板，例如，僅僅運行Microwave office設計環境里的一個腳本，設計者就可以方便的把射頻砷化鎵單片微波集成電路的設計轉換到熱分析。基于模板的熱設計免除電氣工程師幾乎所有的負擔，建立可靠的模擬。一般，難以設置的熱分析通常是在模板中包含的，因此，一旦為一個設計定義，工程師可以自由地操縱剩余下的設計，以探討其熱性能。了解熱邊界條件和材料性能的影響可以作為設計過程的一部分，而不僅僅將其做為設計的前期工作。SYMMIC是第一個工具，為單片微波集成電路設計帶來了熱分析。

SYMMIC也提供快速分析。對于使用多核桌面工作站和64位AXIeM、Microwaveoffice的設計者，SYMMIC可以充分利用硬件配置。下文所述的仿真案例運行在8核16GB的Windows中運行64位XP的PC上。這是極有利于考慮到熱條件以及電磁行為方面的場效應管偏置點的選擇的迭代設計流程——支持可靠性和電氣性能的單片微波集成電路的并行設計。

射頻收發器的熱分器

為了演示Microwave office和SYMMIC軟件的集成，我們用一個使用Microwave office設計的單片集成微波電路高功率放大器標準案例，作為出發點。這個設計是一個使用AWR MeSFet PdK設計的1W X-波段的功率放大器。通過在設計中復制兩個場效應管來添加一個低噪聲放大器，重新設置它們的偏置點，使它們的漏極電流是功率放大器中場效應管漏極電流的10%左右（圖1）。這個低噪放-功率放大器的單芯片的解決方案是用來設計一個集成的收發器的單片微波集成電路。必須對功率放大器到低噪放之間的熱耦合進行管理，以實現最小的噪聲系數。

圖1：AWR軟件中高功率放大器和低噪聲放大器的MMIC設計。

進行熱分析的第一步是在SYMMIC里配置代表三維結構和堆棧的設備模板。從SYMMIC里通用的場效應管模板開始，對參數進行調整，使得產生于AWR的MeSFet組件庫設備類似的場效應管。下一步是運行腳本，以確定模塊的范圍和Microwave office布局中所有場效應管的位置。此信息是格式化的，并且導出成一個文件以輸入到SYMMIC。這個文件與場效應管的設備模板定義了整個熱模擬的有限元問題。第二個文件輸出包含來自于電氣模擬的場效應管的耗散功率水平。此文件作為參數輸入文件，定義了所有熱分析的仿真案例。

因為相對于AWR軟件的SYMMIC是一個獨立運行的應用程序，在文件從Microwave office中輸出后，它可以隨時的使用。打開從SYMMIC中輸出的版圖，將顯示用于熱分析的低噪放-功率放大器的三維模型（圖2）。由于該模型是基于參數化的模板，場效應管的尺寸，層的厚度，材料的屬性，和熱量分布等參數可以在SYMMIC中修改，來測試各種各樣的設計。運行兩種不同的低噪放-功率放大器模擬。在第一個模擬中（圖3），功率放大器是不工作的，低噪放以標稱值50mW運行。在上述基板上的低噪放場效應管的溫度大約在8°C。在第二個模擬中，功率放大器和低噪放都工作。功率放大器中的輸出級和驅動中的每個場效應管差不多以450mW的耗散功率工作。顯然，這是一個非常熱的測試條件。在此裝置中（圖4），輸出級場效應管的溫度差大約有20°C，底板上最熱的場效應管工作溫度大約為90°C.底板上的低噪放場效應管盡管現在差不多是13°C-當這些場效應管是唯一的熱源時也許相比起來，有一點熱，但不如高功率放大器在極限條件下預計的那么熱。

圖2：SYMMIC中更新/驗證每個FET 功率耗散情況的LNA-PA模型及對話框。

圖3：PA關閉、LnA額定功率工作時LnA-PA MMIC的SYMMIC仿真結果。

圖4：高功率放大器與低噪聲放大器MMIC同時運行。

在這個模擬中，功率放大器假設要不斷工作在啟用/禁用功能。結果是低噪放的溝道溫度上升了5°C.其他應用程序除了啟用/禁用功能，可能需要功率放大器工作在瞬態模式。SYMMIC也能作為一個瞬態的熱解算器，因此可以承受脈沖或其它調制方案的熱波動【參考5】。

電-熱聯合仿真

SYMMIC也可用于循環來評價溫度對性能指標的影響，不僅是可靠性和噪聲。這種類型的分許，需要一個溫度敏感的參數，使晶體管模型熱分析可以反饋到電路仿真中。Microwave office中的腳本允許SYMMIC計算溫度來更新這種模型的溫度參數。這種變化通常會改變電路的電氣性能和晶體管的耗散功率水平。不同的耗散功率將產生不同的溫度。因此，腳本可用于迭代分析，其中，每一個Microwave office中的電路模擬隨著SYMMIC中的熱分析而改變來產生一個對連續運行中的溫度和電氣性能指標的準確的評估。

熱阻抗網絡

此外，熱瞬變可能會引入不希望的記憶效應，這難以評估。對于這種類型的瞬態分析，應同時運行電路和熱模擬【參考6和7】。這由集成了新一代阻抗網絡的Microwaveoffice/SYMMIC來實現的。

由于耗散功率導致的節點溫度升高，往往表現為°C/W的熱阻。晶體管模型包括一個熱電阻參數，允許考慮到自熱效應的電氣仿真。對于一個單一的器件，這個值可以簡單的通過用耗散功率除峰值溫度的熱分析來確定。然而對于瞬態分析，晶體管模型需要熱阻和熱容，鑒于在微波單片集成電路中有一個以上的熱時間常數，后者更難估計。有晶體管陣列的單片微波集成電路的情況要更加復雜，因為不僅需要考慮自熱效應，而且，還需要考慮臨近器件之間的熱耦合效應。

因此，SYMMIC通過自動的求解一個在特定操作條件下的整個單片微波集成電路熱模型的熱阻抗網絡，提供了一個獨特的解決方案。SYMMIC輸出的熱阻抗作為一個網表電路描述返回到Microwave office環境中。這種熱網絡可以連接到晶體管的熱端口，獲得一個瞬態的模擬。

結論

集成電-熱協同設計流程的優點有兩個方面：
• 快速的設計轉換，因此單片微波集成電路的設計人員不需要依賴別人來運行仿真。
• 更快的電-熱模擬，進行設計優化，例如有著特定應用的最緊湊的有源設計。

通過SYMMIC與AWR設計環境的熱分析軟件的基于腳本的結合，實際的熱模擬作為射頻/微波設計流程的一個不可分割的組成部分而不是一個機械的工程軟件，對于單片微波集成電路的設計者來說，成為了一個現實。SYMMIC的基于模板的方法，并且純粹的仿真速度與集成到Microwave office中的腳本相結合，使得更精確的器件模擬電路設計是可能的。不必再采用一個更詳細的電磁仿真，可靠性和電氣性能在仿真中可同時考慮。因此，軟件將持續升溫。單片微波集成電路的設計者將準備好使用AWR Connected for SYMMIC。

參考文獻
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