L'actualité PCB - Dispositifs Gan ultra haute puissance

La plupart des dispositifs Gan actuellement sur le marché fonctionnent à 28 ou 50 v. Les dispositifs de tension de fonctionnement 28V sont plus courants, mais il existe également des fabricants qui peuvent fournir des dispositifs de tension de fonctionnement 50V pour des circuits de puissance plus élevée. Actuellement, une tension de fonctionnement de 50 V est la limite que la plupart des dispositifs Gan peuvent atteindre avec la garantie de performances de fonctionnement fiables à long terme. Cependant, certaines entreprises ont développé des dispositifs Gan avec des tensions de fonctionnement plus élevées pour des scénarios d'application de puissance plus élevée et recherchent de meilleures solutions de dissipation thermique dans ces scénarios d'application de puissance plus élevée. Les auteurs ont contacté plusieurs entreprises pour obtenir des exemples d'appareils dont la tension de fonctionnement était supérieure à 65 v et ont obtenu des informations d'INTEGRA technologies et de qorvo. Cet article résume ces éléments et donne un aperçu de certaines des solutions de refroidissement que les auteurs ont vues sur le marché. Développement de nitrure de gallium haute tension pour remplacer l'électronique sous vide de nombreux radars aérospatiaux et de défense, des communications par satellite et des systèmes industriels, scientifiques et médicaux (ISM) PCB nécessitent des équipements plus fiables et plus robustes avec des niveaux de puissance de sortie RF de plusieurs kilowatts. Ces systèmes ont historiquement compté sur l'électronique sous vide (ved), comme les tubes à ondes progressives (TWT), pour produire des kilowatts de puissance. Pour faire face à la complexité et au coût croissants des systèmes ved, l'utilisation des amplificateurs de puissance à semi - conducteurs (SSPA) a dépassé celle de certains dispositifs basse fréquence et basse puissance. Au départ, le semi - conducteur utilisé était du silicium LDMOS. Plus tard, l'arséniure de gallium a également été utilisé. Pour la fabrication d'amplificateurs de puissance à l'état solide, la plupart d'entre eux utilisent maintenant du Gan. Cependant, les problèmes du marché de la haute puissance restent principalement résolus par le ved. Dans les applications Radar, la technologie LDMOS a peu progressé en termes de puissance RF élevée en raison des limitations de ses basses fréquences. Bien que la technologie de l'arséniure de gallium puisse fonctionner au - dessus de 100 GHz, sa conductivité thermique inférieure et sa tension de fonctionnement limitent son niveau de puissance de sortie. Pour réaliser des dispositifs de haute puissance, les amplificateurs GaAs doivent connecter plusieurs dispositifs en parallèle, de sorte que le coût d'utilisation de plusieurs dispositifs réduit l'efficacité et augmente le coût. La technologie Gan / SiC 50V d'aujourd'hui peut fournir des centaines de watts de puissance de sortie à haute fréquence et peut fournir la robustesse et la fiabilité requises par un système radar, mais les défis ne s'arrêtent pas là.

Depuis 2014, INTEGRA technologies mène des activités de recherche et développement dans le domaine du Gan / SiC haute tension (Hv) afin d’étendre davantage cette technologie et d’atteindre les niveaux de puissance en kilowatts requis pour la prochaine génération de systèmes radar. Étant donné que les concepteurs de systèmes doivent réduire les coûts d'exploitation tout au long du cycle de vie tout en augmentant la complexité des radars, il est plus urgent que jamais de promouvoir des solutions à semi - conducteurs à l'aide de plates - formes de fabrication commerciales. Le Gan / SiC HV d'INTEGRA a démontré que le rendement peut dépasser 80% pour une onde continue de 100 V avec une densité de puissance de 10 W / mm et une impulsion de 150 V avec une densité de puissance de 20 W / MM.

Le fonctionnement au niveau Transistor de la technologie Gan haute tension à des tensions plus élevées ouvre de nouveaux degrés de liberté dans la conception d'amplificateurs RF haute puissance. Cette technologie permet un meilleur compromis entre une densité de puissance plus élevée et une impédance plus élevée. Cette flexibilité permet à des transistors à extrémité unique jusqu'à 10 kW de s'adapter à une charge de 50 îlots, puis avec une optimisation appropriée de l'accord harmonique, un rendement de 80% peut être atteint à des fréquences UHF. INTEGRA a démontré avec succès cette performance sur des bandes de fréquences plus élevées telles que la bande L et la bande X.

L'un des défis auxquels sont confrontés les dispositifs fonctionnant à des densités de puissance élevées de 10 à 20 W / mm est de conduire la chaleur hors de la zone active du dispositif semi - conducteur. INTEGRA résout ce problème de dissipation de chaleur en combinant les brevets thermiques d’integra et les matériaux épitaxiés Gan / SiC haute pression, la conception du dispositif et l’encapsulation. Pour les systèmes haute puissance de la gamme 100kw, l’avantage du Gan haute pression est que les concepteurs de systèmes ne peuvent utiliser que la technologie ved ou un SSPA Gan / sic 50V. Pour les conceptions à l'état solide, un grand nombre de dispositifs de puissance sont nécessaires pour atteindre la puissance cible requise de plusieurs kilowatts. Le Gan / SiC haute tension d’integra permet d’atteindre des puissances plus élevées. Dans le même temps, le nombre de transistors de puissance RF, la complexité du système et le coût total peuvent être considérablement réduits.

Par exemple, un système de 200 kW construit avec des transistors de 50 V et 1 kW nécessite plus de 200 Transistors pour atteindre la puissance cible, mais cela entraînera une combinaison de puissance complexe et une perte de rendement associée. Avec des transistors Gan / SiC haute tension de 10 kW, le même système de 200 kW ne nécessite qu'une vingtaine de transistors. Le nombre de transistors et les combinaisons de puissance complexes apportées par ces dispositifs sont considérablement réduits, tout en assurant un meilleur rendement. Cela permet aux ingénieurs en systèmes radar de concevoir des radars plus compétitifs et moins coûteux, ce qui peut également réduire les coûts d'exploitation tout au long de leur durée de vie.

La technologie Gan / SiC HV peut tirer parti de la production en série de substrats SiC de qualité plutôt que de matériaux de substrat plus uniques, tels que le diamant, qui sont plus coûteux et à approvisionnement limité. Le procédé HV Gan est construit sur les principaux matériaux commerciaux et plates - formes de fabrication pour réduire les coûts.

Le HV Gan / SiC d’integra offre une alternative à l’état solide au ved avec une technologie qui tire parti de la chaîne d’approvisionnement commerciale dominante. En utilisant la technologie brevetée d'amélioration thermique d'INTEGRA, la plate - forme résout les problèmes de dissipation thermique causés par le fonctionnement à haute densité de puissance, développant ainsi une technologie plus fiable et plus puissante qui peut répondre aux besoins des radars de nouvelle génération. Le Pa Gan de 160 W surmonte les problèmes de dissipation thermique du boîtier SMT. Les innovations de la technologie Gan permettent aux dispositifs de fonctionner à des puissances plus élevées, La tension et la fréquence, qui sont tous des éléments clés des radars avancés en bande L et d'autres communications à large bande. Gan a une densité de puissance plus élevée que LDMOS ou GaAs. Cependant, avec l'augmentation du niveau de puissance RF, les performances thermiques doivent être optimisées pour maintenir la température de jonction du semi - conducteur suffisamment basse pour minimiser la consommation d'énergie et assurer une longue durée de vie du transistor. Lors de la mise en œuvre de transistors à l'aide de la technologie de montage en surface (SMT), un PCB doit être soigneusement conçu pour optimiser les performances de dissipation thermique.

L'exemple de référence d'un amplificateur de puissance (PA) utilisé pour résoudre ce problème de haute tension et de dissipation thermique a été conçu avec le qorvo qpd1013, un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) de grande puissance et large bande. L'appareil est monté en surface selon les normes de l'industrie de 7,2 mm * 6,6 mm dans un boîtier double plat sans fil (DFN). Il permet un assemblage plus simple de PCB par rapport à un boîtier Cermet traditionnel.

Le qpd1013 utilise la technologie Gan / SiC 0,5 µm de qorvo et peut fonctionner à 65 v. Offrant une plus grande efficacité et une bande passante plus large, le pa convient à de nombreux scénarios d'application allant de DC à 2,7 GHz, y compris les radars militaires, les communications mobiles terrestres ou les radiocommunications militaires. La bande de fonctionnement de l'exemple pa couvre de 1,2 à 1,8 GHz et peut fournir une puissance de sortie RF de 160 W avec un rendement d'environ 55%, comme le montre la figure 5. Malgré l'efficacité impressionnante du PA, la consommation d'énergie dépasse encore les 100 W, soulignant le besoin de solutions efficaces de dissipation thermique.

Afin d'optimiser les performances de dissipation thermique, le modèle de référence pa utilise la technologie "Copper Money". L'argent en cuivre est une feuille de cuivre solide ou un ruban de cuivre incorporé dans un PCB pendant la fabrication pour permettre un transfert de chaleur efficace du transistor au support du PCB. Bien que les techniques de remplissage des pores avec du cuivre soient très courantes et les plus économiques, la technologie de l'argent en cuivre peut fournir de meilleures performances de transfert de chaleur.

Comme le montre la figure 6, l'argent en cuivre a une légère influence sur les performances RF de l'amplificateur, ce qui doit être pris en compte dans la conception. Bien que l'argent en cuivre améliore la résistance thermique, il faut veiller à ce que la surface du PCB soit plate et qu'il y ait un bon contact entre l'argent en cuivre et les plots de terre DFN. Toute lacune d'air ou de soudure peut affaiblir les avantages inhérents de la méthode de l'argent en cuivre.