Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 9 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Calculation and measurement of thermal parameters of monolithic integrated microwave circuits in X-band output power amplifiers

V.A. Sergeev1,2,3,4, R.G. Tarasov5,6, A.M. Hodakov1,2

1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov IRE RAS, Ulianovsk, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
3 Ульяновский государственный технический университет, Ulianovsk, Russia
4 Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
5 АО «НПП «Завод Искра», Ulianovsk, Russia
6 JSC «NPP «Zavod Iskra», Russia
Full text (PDF) UDC 621.382.029 EDN ZDPMAS

Abstract

The results of thermal 3D modeling in the software Comsol Multiphysics and calculation of temperature fields of the submodule of the output power amplifier (OPA) of the transmitting-receiving module (TRM) of the X-band active phased antenna array APAA, which contains two monolithic integrated circuits of GaAs microwave amplifiers with three amplification stages, are presented. The calculation of the temperature distribution on the surface of the MIC and on the surface of the mounting plate along the x-axis passing through the center of the third stage of the MIC amplification showed that the thermal connection between the MIC crystals as part of the MIC of the structure under consideration is weak and one-dimensional approximation can be used to estimate the thermal parameters of the MIC taking into account the expansion of the heat flux. Estimates of the thermal resistances of the submodule construction layers in this approximation have shown that a layer of contact bond material (adhesive) contributes primarily (more than 60%) to the full thermal resistances of the MIC. A method is proposed for determining thermal resistance of a transition-housing of an MIC as part of a OPA based on the results of measuring temperature of the MIC at two levels of power dissipated by the OPA.

  • приемо-передающий модуль АФАР
  • субмодуль выходного усилителя мощности
  • GaAs СВЧ-усилитель
  • монолитные интегральные схемы
  • тепловое моделирование
  • температурные поля
  • тепловые параметры
  • измерение
  • APAA transceiver module
  • submodule of output power amplifier
  • GaAs microwave amplifier
  • monolithic integrated circuits
  • thermal modeling
  • temperature fields
  • thermal parameters
  • measurement
Аннотация (на русском)

Расчет и измерение тепловых параметров монолитных интегральных схем СВЧ-усилителей в составе выходных усилителей мощности X-диапазона

Представлены результаты теплового 3D-моделирования в программной среде Comsol Multiphysics и расчета температурных полей субмодуля выходного усилителя мощности (ВУМ) приемо-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) Х-диапазона, содержащего две монолитных интегральных схемы GaAs СВЧ-усилителей с тремя каскадами усиления. Расчет распределения температуры на поверхности МИС и на поверхности монтажной пластины вдоль оси Х, проходящей по центру третьего каскада усиления МИС, показал, что тепловая связь между кристаллами МИС в составе ВУМ рассматриваемой конструкции слабая и для оценки тепловых параметров МИС можно использовать одномерное приближение с учетом расширения теплового потока. Оценки значений тепловых сопротивлений слоев конструкции субмодуля в этом приближении показали, что основной вклад (более 60%) в полное тепловое сопротивление МИС вносит слой материала контактного соединения (адгезива). Предложен способ определения теплового сопротивления переход-корпус МИС в составе ВУМ по результатам измерения температуры МИС при двух уровнях рассеиваемой ВУМ мощности.

For citation

Sergeev V.A., Tarasov R.G., Hodakov A.M. Calculation and measurement of thermal parameters of monolithic integrated microwave circuits in X-band output power amplifiers // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 9.

References

  1. Викулов И. Монолитные интегральные схемы СВЧ // Электроника: Наука. Технология. Бизнес. 2012. № 7. С. 60-73.
  2. Красников Г.Я., Волосов А.В., Котляров Е.Ю. Приемо-передающий субмодуль Х-диапазона частот. // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2016. № 3. С. 23-29.
  3. Коломейцев В. А., Езопов А.В., Семенов А.Э. Тепловой режим выходного усилителя мощности приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки. // Антенны. 2012. № 8 (183). С. 15-19.
  4. Коломейцев В. А., Езопов A.B. Разработка метода контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля активной фазированной антенной решетки. Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (52), вып. 1. С. 149-153.
  5. Сергеев В. А., Ходвов А.М., Тарасов Р.Г. Моделирование нестационарных тепловых процессов в выходных усилителях мощности модулей АФАР // Сборник научных трудов международной конференции "Математические методы и модели: теория, приложения и роль в образовании". Ульяновск: УГТУ, 2016. С. 133-137.
  6. Сергеев В.А., Тарасов Р.Г., Куликов А.А.Выборочные распределения субмодулей выходных усилителей мощности АФАР Х-диапазона по энергетическим параметрам // Известия вузов. Электроника. 2018. № 1. С. 93-98.
  7. Сергеев В. А., Ходаков А.М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых изделий. Ульяновск: УлГТУ, 2012. 184 с.
  8. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 487 с.
  9. NSM Archive - Physical Properties of Semiconductors [электронный ресурс]. URL: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond//index.html
  10. Сергеев, В. А. Анализ тепловых режимов мощных светодиодов в составе светодиодных излучателей // Известия вузов. Электроника. 2013. №1. С. 85-87.
  11. ОСТ 11 0944-96 Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. М.: ГНПП "Пульсар", 1997.
  12. ГОСТ 19656.15-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления. М.: Издательство стандартов, 1984.
  13. Laurent Dupont, Yvan Avenas, and Pierre-Olivier Jeannin Comparison of Junction Temperature Evaluations in a Power IGBT Module Using an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters // IEEE Transaction on Industrial Applications. 2013. Vol. 49, № 4. P. 1599-1608.
  14. Сергеев В.А., Смирнов В.И., Тарасов Р.Г. Проблемы и возможности диагностики качества электронных модулей по тепловым характеристикам // Автоматизация процессов управления. 2017. № 4 (50). С. 108-116.