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
2022, № 8 · SOLID STATE ELECTRONICS

Comparative analysis of methods for measuring thermal parameters of integrated bipolar transistor microwave power amplifiers

V.I. Smirnov1,2, V.A. Sergeev1, A.A. Gavrikov1, R.G. Tarasov3

1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov IRE RAS, Ulianovsk, Russia
2 Ulyanovsk State Technical University, Ulianovsk, Russia
3 Joint Stock Company Scientific and Production Enterprise Zavod Iskra, Ulianovsk, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.8.11 UDC 681.518.3 EDN QOKRJQ

Abstract

A brief analysis of methods and features of measuring thermal parameters of integrated microwave power amplifiers on bipolar transistors (BT) is presented. The hardware and software complex implementing the method of measuring the thermal parameters of the amplifier according to OST 11 0944-96 and the original modulation method is described. In both methods, the temperature of the active region of BT crystals is determined by a change in a certain temperature-sensitive parameter (TSP) of BT when they are heated by pulsed power. The results of comparative measurements of the thermal resistance of the junction-housing of the L-band integrated microwave amplifier on silicon BT are presented. The optimal duration of the heating pulses in the standard method was determined based on the analysis of the previously measured transient thermal characteristics of the amplifier. To exclude the influence of transients when switching the amplifier from the heating mode to the measurement mode, the temperature of the BT crystal at the end of the heating power pulse was determined by interpolating the results of several TSP measurements under the assumption that the crystal cooling curve has a root character. It is shown that the results of measuring the thermal resistance of the junction-housing of an integral microwave amplifier by both methods are in good agreement with each other.

  • integrated microwave power amplifiers
  • thermal parameters
  • measurement
  • modulation method
Аннотация (на русском)

Сравнительный анализ методов измерения тепловых параметров интегральных СВЧ-усилителей мощности на биполярных транзисторах

Представлен краткий анализ методов и особенностей измерения тепловых параметров интегральных СВЧ-усилителей мощности на биполярных транзисторах (БТ). Описан аппаратно-программный комплекс, реализующий метод измерения тепловых параметров усилителя по ОСТ 11 0944-96 и оригинальный модуляционный метод. В обоих методах температура активной области кристаллов БТ определяется по изменению некоторого температурочувствительного параметра (ТЧП) БТ при их разогреве импульсной мощностью. Приведены результаты сравнительных измерений теплового сопротивления переход-корпус интегрального СВЧ-усилителя L-диапазона на кремниевых БТ. Оптимальная длительность греющих импульсов в стандартном методе определялась на основе анализа предварительно измеренной переходной тепловой характеристики усилителя. Для исключения влияния переходных процессов при переключении усилителя из режима нагрева в режим измерения, температура кристалла БТ в момент окончания импульса греющей мощности определялась путем интерполяции результатов нескольких измерений ТЧП в предположении, что кривая остывания кристаллов имеет корневой характер. Показано, что результаты измерения теплового сопротивления переход-корпус интегрального СВЧ-усилителя обоими методами хорошо согласуются между собой.

For citation

Smirnov V.I., Sergeev V.A., Gavrikov A.A., Tarasov R.G. Comparative analysis of methods for measuring thermal parameters of integrated bipolar transistor microwave power amplifiers // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.11

References

  1. Сечи Ф., Буджатти М. Мощные твердотельные СВЧ-усилители. Москва, Техносфера. 2015. 416 с.
  2. Ретнюк В. Выбор технологии СВЧ-транзисторов для использования в усилителях мощности. СВЧ-электроника. 2018. №2. С.4-6.
  3. Сергеев В.А., Ходаков А.М., Тарасов Р.Г. Расчет и измерение тепловых параметров монолитных интегральных схем СВЧ-усилителей в составе выходных усилителей мощности X-диапазона. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.8.12
  4. Mahalingam M., Mares E. Infrared temperature characterization of high power RF devices. 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest. 2001. V.3. P.2199-2202. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2001.967352
  5. He J., Mehrotra V., Shaw M.C. Ultra-high resolution temperature measurement and thermal management of RF power devices using heat pipes. 11th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. ISPSD'99 Proceedings. 1999. P.145-148. https://doi.org/10.1109/ISPSD.1999.764083
  6. Cinà L., Di Carlo A., Reale A. Thermal Model of High-Power Amplifiers Based on Time-Dependent Temperature Profiles Measured by Photoconductance. IEEE Transactions on Electron Device. 2018. V.65. №5. P.1739-1744. https://doi.org/10.1109/TED.2018.2814921
  7. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. Москва, ГУП НПП Пульсар. 1997. 110 с.
  8. Blackburn D.L., Oettinger F.F. Transient Thermal Response Measurements of Power Transistors. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Control Instruments. 1976. №2. P. 134-142. https://doi.org/10.1109/PESC.1974.7074340
  9. Smirnov V.I., Sergeev V.A., Gavrikov A.A., Shorin A.M. Modulation method for measuring thermal impedance components of semiconductor devices. Microelectronics Reliability. 2018. V.80. P.205-212. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2017.11.024
  10. Смирнов В.И., Гавриков А.А., Шорин А.М. Метод измерения компонент теплового сопротивления полупроводниковых приборов и его практическая реализация. Автоматизация процессов управления. 2017. №2 (48). С.98-105.
  11. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Шорин А.М. Измерения теплового импеданса мощных транзисторов. Радиотехника. 2017. №6. С.83-90.
  12. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Куликов А.А., Шорин А.М. Сравнительный анализ стандартного и модуляционного методов измерения теплового сопротивления мощных биполярных транзисторов. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. №1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.1.3