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www.thalesgroup.com Compact S-Band Amplifier in plastic package Z.OUARCH - UMS M.OLIVIER – THALES LAS FRANCE
www.thalesgroup.com
Compact S-Band Amplifier in plastic package
Z.OUARCH - UMSM.OLIVIER – THALES LAS FRANCE
2THALES GROUP INTERNAL
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OUTLINE
▌ UMS technology portfolio
▌ Context
▌ HPA Design
▌ Package solution validation
▌ Simulations results
▌ Measurements
▌ Conclusion
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UMS technology portfolio
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▌ Characteristics
Lg = 0.25µm
4’’ SiC substrate
AlGaN/GaN epitaxy
T-shape gate
Source connected field plate
SiN passivation
Air bridges between source
connections
GH25-10 technology
Electrical parameters Min. Max. GH25-10
IDS+ [mA/mm] 900 1100 958
Gmmax [mS/mm] 270 350 285
Vg100 [V] -3.5 -2.7 -3.5
Idl [µA/mm] @ 10V 1 50 8
IdlHV [µA/mm] @ 50V 1 200 22
Power density [W/mm] @ 30V 4 5 4.5
EPPL listed
Commercial production
Space productionRamp-up
2014 2017
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UMS GaAs Technology / ULRC-20 / Process description
▌ ULRC technology on 4 inch wafer, 100µm thickness
▌ High MIM Capacitor Breakdown voltage : >150V
▌ BCB protection option
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Context
▌ Challenges & goals
Bests electrical performances
High integration density
Reliable solution
Cost optimization (HPA topology solution & low cost package)
▌ Plastic package solutions
Already used for GaN products
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Context - Architecture analysis
▌ Amplifier architecture VS cost
For Integration density & cost : Quasi-MMIC is the best solution
▌ Quasi-MMIC solution
Integration close to MMIC
Cost close to Hybrid
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HPA Design - Topology
▌ New development
▌ Process & technologies: UMS
▌ Topology: Quasi-MMIC
- One active die: GaN Power bar
- Two passive dies: GaAs MMICs
▌ Plastic package: DFN 8X8mm²
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Packaging / Base Line
Thermal drain
PCB
Hot Spot
Heat
▌ Base line: Thermal QFN/DFN
▌ Assembly steps
Best trade off: Performance/Thermal/cost
Leadframe Die attach Wire bonding Die coat Molding
Sintered glue
Low Void
soldering
Leadframe
Die coat:
protection
Reference PCB
Soldering
Leadframe
Die attach
Die coat
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Packaging Plateform
▌ HPA : S band in DFN 8x8mm²
Leadframe: Finition NiPdAu
Multi Chips
- Power bar: GaN GH25 (Die A)
- Input & Output matching : GaAs ULRC-20 with BCB (Dies B & C )
Thermally enhanced Die attach
Au bounding wires
Die coat on GaN (Die A)
Die A
Die B Die C
HPA: DFN 8x8mm²
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Packaging Plateform validation
Die attach Wire Bonding Die coat
•Thermal Characterization•Thermal simulation•Validation tests
•Preconditioning•Thermal Cycling
•Transition definition•From chip to chip•From chip to Pin•Dimensions and tolerances•Validation tests (die shear, ball shear, etc)
•3D EM model
•Material and thickness•Validation tests
•PC & TC
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Thermal analysis: Rth & peak junction temperature/Tj_p
• Peak junction Temperature is determined using 3 methods
• Tj_p extracted from Tj_av is almost identical to Tj_pobtained by thermal simulation
• Hot spot measured on 4th transistor• Tj_p is lower then specified value at Tc=95°C (<200°C)
Thermocouple
sensor
Hot plate
Hot plate set point
Hot plate temperature
DC voltmeter : mean Vd
DC voltmeter : mean Id
Hot plate supply
Oscilloscope
(Vg,Vd, Id)
Vg pulse
modulator
Vd
DUT
Current probe
+ loop
C3
C2 C1
Efuse
1.Thermal Simulation at UMS (Tj_p)
3.Infra scope measure at TRT (Tj_IR: Surface
Temperature on specific spot size)
2. Electrothermal Characterization at UMS (Tj_av: Average
junction Temperature)Tj_p: Peak junction
Temperature ( UMS ref for
reliability « hot spot »
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HPA Design procedure / RF performance optimization
▌ Optimization on PAE and Harmonics rejection
Main challenge : definition of optimum load to reach Pout_min & Pdiss_max
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HPA simulation results
▌ Power Added Efficiency
Vds=28V; Vgs=-3.85V (Idq=0A)
For Pin = 38dBm : PAE > 50%
Pin=39dBm
Pin=37dBmPin=38dBm
Fmin Fmax
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HPA simulation results
▌ Harmonic rejection
Vds=28V; Vgs=-3.85V (Idq=0A)
Harmonic rejection H2,H3 & H4 > 40dBc
Pin=37dBm
Pin=38dBm
Pin=39dBm
H2H3 H4
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HPA measurements
▌ RF Performances Vds=28V – Pin=39dBm – Load 50Ohm
T°case = 25°C T°case = 95°C
PAE max = 58% at T°case = 25°C
PAE max = 55% at T°case = 95°C
Fmin Fmax Fmin Fmax
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HPA measurements
▌ RF Performances – T°case ϵ [25°C;95°C] - Load 50Ohm
Vds=28V – Pin=39dBm
Harmonic Rejection H2, H3 et H4 > 45dB
18THALES GROUP INTERNAL
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Conclusion
Design to Cost
Package validation(plastic package
solution)
•Integration: Q-MMIC•3D Simulation
HPADFN 8x8mm²
Production Test validation
Thermal performance
Performances at the state of the art
19THALES GROUP INTERNAL
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▌ Thanks DGA and III-V lab for its support in the development of new
technology platform
www.thalesgroup.com
Thank you for your attention
