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射频设计中的挑战

必须特别注意射频元件的非功能性特性。

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为射频应用设计高度集成的组件对系统工程师、设计人员和调试工程师提出了特殊的挑战。在现代元件上,芯片、封装和电路板之间的界限正在逐渐消失。将部分功能转移到包甚至板上的做法越来越普遍。在某些情况下,需求变得如此广泛,以至于只能通过芯片、封装和电路板之间的完美交互来保证功能。为了确保这些部件的设计坚固可靠,在进行特殊测试时必须考虑到一些物理效应,并对其影响进行评估。这是在其他组件和相关测试(如时序、电压降等)中观察到的通常影响之外的。

在射频设计中,越来越多的组件也被从电路转移到封装中,这要么是因为性能更好,要么是因为制造成本更低。这种重新定位只有通过芯片、封装和电路板的密集协同设计才能实现。必须在整个设计过程中创建适当的工具流来支持这一点。这从早期探索功能系统级别的变体开始,接着是非常早期的楼层规划和单个组件的协同设计,最后是整个系统的协同验证,同时考虑到寄生互连和衬底效应。

一方面,组件的功能特性必须得到实现和验证。在射频设计领域,这意味着例如增益值、噪声因子、串扰衰减或频谱效率。

另一方面,非函数属性也需要特别注意。除其他方面外,这涉及确保芯片、封装和板以及芯片-封装和封装-板接口的长期可靠性,以及遵守热约束。

考虑到它们的应用(汽车、工业等),RF组件必须经常处理较大的温度范围。此外,它们通常利用大信号操作。当涉及到验证可靠性时,这需要额外的测试来捕捉扩展范围内的老化行为(温度,振幅等)。大的电压阶跃会导致射频电路的许多应力机制,如偏置温度不稳定(BTI)、热载流子注入(HCI)、非导电HCI (nHCI)和开/关状态时间依赖性介电击穿(TDDB)。

模拟预期的老化行为不仅需要非常好的直流模型来模拟RF的优点(FOM),还需要尽可能准确地模拟晶体管的容量以及它们如何随着寿命的变化。研究还表明,准静态近似不再适用于将直流老化映射到更高频率的时变老化。

除了电压水平,功率在射频组件的表征和建模中也起着重要作用。输入功率是影响输出功率和功率增加效率(PAE)的另一个应力变量。对于射频功率放大器器件,重要的漏极电压可以超过工作电压的两倍。这就是为什么HCI和nHCI是需要考虑的最重要的衰老机制。

在小型射频器件中处理更高功率也对组件的热设计提出了特殊要求。局部加热对系统的长期可靠性有负面影响。具有大表面积的组件的不均匀加热也会导致意外的功率损失。在设计布局、定位热通孔和设计包装解决方案时,必须始终考虑到这些热影响。

因此,由于射频系统和组件的特殊性质,有必要寻求新的设计方法来开发射频系统和组件。还必须考虑一些具体条件,以确保预期应用中的正确功能和长期可靠性。



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