PCB-Neuigkeiten - Ultra-High-Power GaN-Geräte

Die Betriebsspannung der meisten derzeit auf dem Markt befindlichen GaN Bauelemente beträgt 28 oder 50 V. Bauelemente mit einer Betriebsspannung von 28 V sind am weitesten verbreitet, aber es gibt auch einige Hersteller, die Bauelemente mit einer Betriebsspannung von 50 V für Schaltkreise mit höherer Leistung anbieten können. Derzeit ist die 50-V-Betriebsspannung die Grenze, die die meisten GaN-Bauelemente erreichen können, um eine langfristige und zuverlässige Arbeitsleistung zu gewährleisten. Einige Unternehmen haben jedoch GaN-Bauelemente mit höheren Betriebsspannungen für Anwendungen mit höherer Leistung entwickelt und suchen nach Lösungen für eine bessere Wärmeableitung bei diesen Hochleistungsanwendungen. Der Autor hat sich mit mehreren Unternehmen in Verbindung gesetzt und einige Beispiele für die Arbeit mit Bauelementen mit einer Betriebsspannung von mehr als 65 V erhalten und Informationen von Integra Technologies und Qorvo erhalten. Dieser Artikel fasst diese Inhalte zusammen und skizziert, was der Autor auf dem Markt sieht Einige der Kühllösungen.

Entwicklung von Hochspannungs-GaN als Ersatz für Vakuumelektronik

Viele Radarsysteme für die Luft- und Raumfahrt und die Verteidigung, Satellitenkommunikation und industrielle, wissenschaftliche und medizinische Systeme (ISM) erfordern zuverlässigere und robustere Geräte mit HF-Ausgangsleistungen von mehreren Kilowatt. In der Vergangenheit waren diese Systeme auf Vakuumelektronik (VED) wie Wanderfeldröhren (TWT) angewiesen, um eine Leistung von mehreren Kilowatt zu erzeugen. Um die zunehmende Komplexität und die Kosten von VED-basierten Systemen zu bewältigen, hat die Nutzungsrate von Halbleiter-basierten Festkörper-Leistungsverstärkern (SSPA) einige Niederfrequenz- und Niederleistungsgeräte überholt. Zunächst wurde als Halbleiter Silizium-LDMOS verwendet. Später wurde auch GaAs verwendet. Für die Herstellung von Festkörper-Leistungsverstärkern wird heute überwiegend GaN verwendet. Die Probleme des Hochleistungsmarktes werden jedoch immer noch hauptsächlich durch VED gelöst.

Bei Radaranwendungen hat die LDMOS-Technologie aufgrund ihrer niedrigen Frequenzbegrenzung nur geringe Fortschritte in Bezug auf hohe HF-Leistung gemacht. Die GaAs-Technologie kann zwar oberhalb von 100 GHz eingesetzt werden, aber ihre geringe Wärmeleitfähigkeit und Betriebsspannung begrenzen die Ausgangsleistung. Um Hochleistungsgeräte zu realisieren, müssen bei GaAs-Verstärkern mehrere Geräte parallel geschaltet werden, so dass die Kosten für die Verwendung mehrerer Geräte zu einem geringeren Wirkungsgrad und höheren Kosten führen. Die heutige 50-V-GaN/SiC-Technologie kann Hunderte von Watt Ausgangsleistung bei hohen Frequenzen liefern und die von Radarsystemen geforderte Robustheit und Zuverlässigkeit bieten, aber die Herausforderungen hören damit nicht auf.

Seit 2014 führt Integra Technologies Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Hochspannungs-GaN/SiC-Technologie durch, um die Technologie weiter auszubauen und die für Radarsysteme der nächsten Generation erforderliche Leistung im Multi-Kilowatt-Bereich zu erreichen. Da Systementwickler die Gesamtlebenszyklus-Betriebskosten senken müssen, während die Komplexität von Radarsystemen zunimmt, ist es dringender denn je, Festkörperlösungen unter Verwendung kommerzieller Fertigungsplattformen zu fördern. Integra's HV GaN/SiC hat bewiesen, dass der Wirkungsgrad 80% für eine 100V Dauerwelle mit einer Leistungsdichte von 10W/mm und einen 150V Puls mit einer Leistungsdichte von 20W/mm übersteigen kann.

Hochspannungs-GaN-Technologie

Der Betrieb auf Transistorebene bei höheren Spannungen eröffnet neue Freiheitsgrade bei der Entwicklung von Hochleistungs-HF-Verstärkern. Mit dieser Technologie lässt sich ein besserer Kompromiss zwischen höherer Leistungsdichte und höherer Impedanz erzielen. Dank dieser Flexibilität können Single-Ended-Transistoren bis zu 10 kW an eine 50-Ω-Last angepasst werden, und durch eine geeignete Optimierung der Oberwellenabstimmung kann bei UHF-Frequenzen ein Wirkungsgrad von 80 % erreicht werden. Integra hat diese Leistung in höheren Frequenzbändern wie dem L-Band und dem X-Band erfolgreich nachgewiesen.

Eine der Herausforderungen bei Bauelementen, die mit hohen Leistungsdichten von 10 bis 20 W/mm arbeiten, besteht darin, die Wärme vom aktiven Bereich des Halbleiterbauelements wegzuleiten. Integra löst dieses Problem der Wärmeableitung durch die Kombination von Integra's thermischen Patenten und HV GaN/SiC Epitaxie-Materialien, Bauteildesign und Gehäuse.

Vorteile von Hochspannungs-GaN

Für Hochleistungssysteme im Bereich von 100 kW können Systementwickler nur die VED-Technologie oder 50-V-GaN/SiC-SSP verwenden. Für Solid-State-Designs ist eine große Anzahl von Leistungsbauelementen erforderlich, um die erforderliche Zielleistung von mehreren Kilowatt zu erreichen. Mit HV-GaN/SiC von Integra kann eine höhere Leistung erreicht werden. Gleichzeitig können die Anzahl der HF-Leistungstransistoren,die Systemkomplexität und die Gesamtkosten erheblich reduziert werden.

Ein 200-kW-System, das mit 50-Volt- und 1-kW-Transistoren aufgebaut ist, benötigt beispielsweise mehr als 200 Transistoren,um die Zielleistung zu erreichen, was jedoch zu komplexen Leistungskombinationen und damit verbundenen Effizienzverlusten führt. Mit 10kW-HV-GaN/SiC-Transistoren benötigt das gleiche 200kW-System nur etwa 20 Transistoren.Die Anzahl der Transistoren und die komplexen Leistungskombinationen, die diese Bauelemente mit sich bringen, werden erheblich reduziert, während gleichzeitig eine höhere Effizienz gewährleistet wird.Dies ermöglicht es den Ingenieuren von Radarsystemen,wettbewerbsfähigere und kostengünstigere Radare zu entwickeln,die auch die Betriebskosten während ihrer Lebensdauer senken können.

Bei der HV-GaN/SiC-Technologie können SiC-Substrate für die Massenproduktion verwendet werden,statt der teureren und nur in begrenztem Umfang verfügbaren spezielleren Substratmaterialien wie Diamant.Das HV-GaN-Verfahren basiert auf handelsüblichen Materialien und Fertigungsplattformen, um die Kosten zu senken.

Integra's HV GaN/SiC bietet eine Festkörper-Alternative zu VED, und seine Technologie nutzt die gängigen kommerziellen Lieferketten. Durch den Einsatz der patentierten thermischen Verbesserungstechnologie von Integra löst die Plattform das Problem der Wärmeableitung, das durch den Betrieb mit hoher Leistungsdichte verursacht wird, und entwickelt so eine zuverlässigere und leistungsfähigere Technologie, die den Anforderungen von Radaren der nächsten Generation gerecht wird.

160W GaN PA überwindet das Problem der Wärmeableitung bei SMT-Gehäusen

Innovationen in der GaN-Technologie ermöglichen den Betrieb von Bauelementen mit höheren Leistungen, Spannungen und Frequenzen - alles Schlüsselelemente für fortschrittliche Radar- und andere Breitbandkommunikation im L-Band. GaN hat eine höhere Leistungsdichte als LDMOS oder GaAs.Da jedoch die HF-Leistungspegel steigen, muss die thermische Leistung optimiert werden,um die Sperrschichttemperatur des Halbleiters niedrig genug zu halten, um den Stromverbrauch zu minimieren und eine lange Lebensdauer des Transistors zu gewährleisten.Wenn die Transistoren in Oberflächenmontagetechnik (SMT) ausgeführt werden,muss die Leiterplatte sorgfältig entworfen werden, um die Wärmeableitung zu optimieren.

Ein Referenzbeispiel für einen Leistungsverstärker (PA), der zur Lösung dieses Hochspannungs- und Wärmeableitungsproblems eingesetzt wird, wurde mit dem QPD1013 von Qorvo entwickelt, einem HEMT-Transistor (High Electron Mobility) mit hoher Leistung und großer Bandbreite. Der Baustein verwendet das 7,2mm*6,6mm große, oberflächenmontierbare DFN-Gehäuse (Dual Flat No-Lead) nach Industriestandard. Im Vergleich zum traditionellen Cermet-Gehäuse kann es eine einfachere Leiterplattenmontage realisieren.

Der QPD1013 verwendet die 0,5μm GaN/SiC-Technologie von Qorvo und kann bei 65 V arbeiten. Der PA bietet einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Bandbreite und eignet sich für viele Anwendungsszenarien von DC bis 2,7 GHz, einschließlich Militärradar, Landmobilfunk oder militärische Funkkommunikation. Das Arbeitsfrequenzband des Beispiel-PAs deckt 1,2 bis 1,8 GHz ab, kann eine Ausgangsleistung von 160 W liefern und hat einen Wirkungsgrad von etwa 55 % (siehe Abbildung 5). Obwohl der Wirkungsgrad des PA beeindruckend ist, übersteigt die Verlustleistung immer noch 100 W, was den Bedarf an effektiven Lösungen zur Wärmeableitung deutlich macht.

Um die Wärmeableitung zu optimieren,verwendet das Referenzdesign die Kupfermünzen"-Technologie. Kupfermünzen sind massive Kupferbleche oder -streifen,die während des Herstellungsprozesses in die Leiterplatte eingebettet werden, um eine effiziente Wärmeübertragung vom Transistor zum Leiterplattenträger zu ermöglichen.Obwohl die Technologie des Füllens von Durchgangsbohrungen mit Kupfer sehr verbreitet und die wirtschaftlichste ist, kann die Kupfercoin-Technologie eine bessere Wärmeübertragungsleistung bieten.

Wie in Abbildung 6 dargestellt, haben Kupfermünzen einen leichten Einfluss auf die HF-Leistung des Verstärkers, was beim Entwurf berücksichtigt werden muss. Obwohl die Kupfermünze den Wärmewiderstand verbessert, muss darauf geachtet werden, dass die Oberfläche der Leiterplatte eben ist und dass ein guter Kontakt zwischen der Kupfermünze und dem DFN-Massepad besteht. Jegliche Luftspalte oder Lötlöcher schwächen die Vorteile der Kupfermünzenmethode.