Noticias de PCB - Dispositivos Gan de ultra alta potencia

En la actualidad, el voltaje de funcionamiento de la mayoría de los dispositivos Gan en el mercado es de 28 o 50v. Los dispositivos de tensión de trabajo de 28v son más comunes, pero también hay algunos fabricantes que pueden proporcionar equipos de tensión de trabajo de 50V para circuitos de mayor potencia. En la actualidad, el voltaje de trabajo de 50V es el límite que la mayoría de los dispositivos Gan pueden alcanzar garantizando un rendimiento de trabajo confiable a largo plazo. Sin embargo, algunas compañías han estado desarrollando dispositivos Gan con mayores tensiones de funcionamiento para escenarios de aplicaciones de alta potencia y buscando mejores soluciones de disipación de calor en estos escenarios de aplicaciones de alta potencia. Los autores se pusieron en contacto con varias empresas para obtener algunos ejemplos de los dispositivos con los que utilizaban un voltaje de funcionamiento superior a 65v y obtuvieron información de integra Technologies y qorvo. Este artículo resume estos contenidos y esboza algunas de las soluciones de enfriamiento que los autores ven en el mercado. El desarrollo de nitruro de galio de alta tensión para reemplazar muchos radares aeroespaciales y de defensa nacional, comunicaciones por satélite y sistemas industriales, científicos y médicos de PCB (ism) requiere equipos más confiables y robustos, con un nivel de potencia de salida de radiofrecuencia de miles de vatios. Estos sistemas han dependido históricamente de dispositivos electrónicos de vacío (ved), como el tubo de onda viajera (twt), para generar kilovatios de potencia. Para resolver el problema de la creciente complejidad y costo de los sistemas basados en ved, la utilización de amplificadores de potencia de estado sólido (sspa) basados en semiconductores ha superado a algunos dispositivos de baja frecuencia y baja potencia. Al principio, el Semiconductor utilizado era un ldmos de silicio. Más tarde, el arsénico de galio también se utilizó. Para la fabricación de amplificadores de potencia de Estado sólido, la mayoría de ellos ahora usan gan. Sin embargo, los problemas del mercado de alta potencia siguen siendo resueltos principalmente por ved. En las aplicaciones de radar, la tecnología ldmos ha avanzado poco en la alta potencia de radiofrecuencia debido a sus limitaciones de baja frecuencia. Aunque la tecnología de GaAs puede funcionar por encima de los 100 ghz, su baja conductividad térmica y tensión de funcionamiento limitan su nivel de potencia de salida. Para lograr dispositivos de alta potencia, el amplificador Gaas necesita conectar varios dispositivos en paralelo, por lo que el costo de usar múltiples dispositivos reduce la eficiencia y aumenta el costo. La tecnología Gan / SIC de 50V de hoy puede proporcionar cientos de vatios de potencia de salida a alta frecuencia y puede proporcionar la robustez y fiabilidad necesarias para los sistemas de radar, pero el desafío no se detiene ahí.

Desde 2014, integra Technologies ha estado desarrollando en el campo de alta tensión (hv) Gan / sic para ampliar aún más la tecnología y lograr el nivel de potencia de kilovatios necesario para la próxima generación de sistemas de radar. Debido a que los diseñadores de sistemas necesitan reducir los costos operativos totales del ciclo de vida al tiempo que aumentan la complejidad del radar, es más urgente que nunca promover soluciones de estado sólido utilizando plataformas de fabricación comercial. El HV Gan / SIC de integra ha demostrado que la eficiencia puede superar el 80% para una onda continua de 100 V con una densidad de potencia de 10 W / MM y un pulso de 150 V con una densidad de potencia de 20 W / mm.

La operación a nivel de Transistor de la tecnología Gan de alta tensión a un voltaje más alto abre un nuevo grado de libertad para el diseño de amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia. Esta tecnología permite un mejor equilibrio entre una mayor densidad de potencia y una mayor resistencia. Esta flexibilidad permite que un transistor de un solo extremo de hasta 10 kW coincida con una carga de 50 islas, y luego se puede lograr una eficiencia del 80% a la frecuencia UHF mediante una optimización adecuada de ajuste armónicos. INTEGRA ha logrado mostrar este rendimiento en bandas más altas como la banda L y la banda X.

Uno de los desafíos de los dispositivos que operan a una alta densidad de potencia de 10 a 20 W / MM es la conducción de calor desde la zona activa de los dispositivos semiconductores. INTEGRA ha resuelto este problema de disipación de calor combinando las patentes térmicas de integra con materiales de Epitaxia HV Gan / sic, diseño de dispositivos y encapsulamiento. Las ventajas de un gan de alta tensión para sistemas de alta potencia en un rango de 100 kw, los diseñadores del sistema solo pueden usar la tecnología ved o 50V Gan / sic sspa. Para el diseño de Estado sólido, se necesita una gran cantidad de dispositivos de potencia para lograr la Potencia objetivo necesaria de varios kilovatios. El HV Gan / SIC de integra puede lograr una mayor potencia. Al mismo tiempo, se puede reducir significativamente el número, la complejidad del sistema y el costo total de los Transistor de potencia de radiofrecuencia.

Por ejemplo, los sistemas de 200 kW construidos con Transistor de 50v, 1 kW requieren más de 200 Transistor para alcanzar la Potencia objetivo, pero esto provocará complejas combinaciones de potencia y pérdidas de eficiencia asociadas. Con un transistor Gan / SIC de alta tensión de 10 kw, el mismo sistema de 200 kW solo necesita unos 20 transistor. Se reduce significativamente el número de Transistor y la compleja combinación de potencia que traen estos dispositivos, al tiempo que se garantiza una mayor eficiencia. Esto permite a los ingenieros de sistemas de radar diseñar radares más competitivos y de menor costo, lo que también puede reducir los costos operativos durante su vida útil.

La tecnología HV Gan / sic puede utilizar sustratos SIC de grado de producción a gran escala en lugar de materiales de sustrato más caros y limitados en el suministro, como el diamante. El proceso HV Gan se basa en los principales materiales comerciales y plataformas de fabricación para reducir costos.

El HV Gan / SIC de integra ofrece una alternativa de estado sólido al ved, cuya tecnología aprovecha las principales cadenas de suministro comercial. Al utilizar la tecnología patentada de mejora térmica de integra, la plataforma resuelve los problemas de disipación de calor causados por las operaciones de alta densidad de potencia, desarrollando así una tecnología más confiable y potente que puede satisfacer las necesidades de la próxima generación de radares. 160w Gan pa supera los problemas de disipación de calor encapsulados por smt. las innovaciones en la Tecnología Gan permiten que los dispositivos funcionen a mayor potencia, voltaje y frecuencia, todos los cuales son componentes clave de los radares avanzados de banda L y otras comunicaciones de banda ancha. Gan tiene una mayor densidad de potencia que ldmos o gaas. Sin embargo, a medida que aumentan los niveles de potencia de radiofrecuencia, es necesario optimizar el rendimiento térmico para mantener la temperatura de Unión del Semiconductor lo suficientemente baja como para minimizar el consumo de energía y garantizar una larga vida del transistor. Al utilizar la tecnología de montaje de superficie (smt) para lograr el transistor, es necesario diseñar cuidadosamente el PCB para optimizar el rendimiento de disipación de calor.

El ejemplo de referencia del amplificador de Potencia (pa) para resolver este problema de alta tensión y disipación de calor está diseñado con qorvo qpd1013, que es un transistor de alta movilidad electrónica (hemt) de alta potencia y ancho de banda ancha. El dispositivo se instala en una superficie de 7,2 mm * 6,6 mm estándar de la industria y está encapsulado en dos planos sin alambre (dfn). En comparación con los envases cerámicos metálicos tradicionales, puede lograr un montaje de PCB más simple.

Qpd1013 utiliza la tecnología Gan / SIC de 0,5 μm de qorvo y puede funcionar a 65v. El pa ofrece una mayor eficiencia y un ancho de banda más amplio, adecuado para muchos escenarios de aplicación, desde DC hasta 2,7 ghz, incluyendo radares militares, comunicaciones móviles terrestres o de radio militares. La banda de trabajo del ejemplo pa cubre entre 1,2 y 1,8 GHz y puede proporcionar una potencia de salida de radiofrecuencia de 160w, con una eficiencia de alrededor del 55%, como se muestra en la figura 5. A pesar de la impresionante eficiencia de pa, el consumo de energía supera los 100 w, destacando la demanda de soluciones efectivas de disipación de calor.

Para optimizar el rendimiento de disipación de calor, el diseño de referencia pa utiliza la tecnología "dinero de cobre". El dinero de cobre es una lámina de cobre sólida o una cinta de cobre incrustada en el PCB durante el proceso de fabricación para permitir una transferencia de calor efectiva desde el Transistor hasta el portador del pcb. Aunque la tecnología de rellenar agujeros con cobre es muy común y económica, la tecnología de monedas de cobre puede proporcionar mejores propiedades de transferencia de calor.

Como se muestra en la figura 6, el dinero de cobre tiene un ligero impacto en el rendimiento de radiofrecuencia del amplificador, que debe tenerse en cuenta al diseñar. Aunque el dinero de cobre aumenta la resistencia térmica, hay que tener cuidado de garantizar que la superficie del PCB sea plana y que haya un buen contacto entre el dinero de cobre y la almohadilla de tierra dfn. Cualquier brecha de aire o brecha de soldadura debilitará las ventajas inherentes del método de cobre.