Notizie PCB - Dispositivi GaN ad altissima potenza

La tensione di funzionamento della maggior parte dei dispositivi GaN attualmente sul mercato è 28 o 50V. I dispositivi di tensione operativa a 28V sono più comuni, ma ci sono anche alcuni produttori che possono fornire dispositivi di tensione operativa a 50V per circuiti di potenza superiore. Attualmente, la tensione di lavoro 50V è il limite che la maggior parte dei dispositivi GaN può raggiungere nella condizione di garantire prestazioni di lavoro affidabili e a lungo termine. Tuttavia, alcune aziende hanno sviluppato dispositivi GaN con tensioni operative più elevate per scenari applicativi di potenza più elevata e stanno cercando soluzioni migliori di dissipazione del calore in questi scenari applicativi ad alta potenza. L'autore ha contattato diverse aziende e ha ottenuto alcuni esempi del loro lavoro con dispositivi con una tensione di lavoro superiore a 65V, e ha ricevuto informazioni da Integra Technologies e Qorvo. Questo articolo riassume questi contenuti e delinea ciò che l'autore vede nel mercato Alcune delle soluzioni di raffreddamento. Sviluppare GaN ad alta tensione per sostituire l'elettronica sottovuoto Molti radar aerospaziali e di difesa, comunicazioni satellitari e sistemi industriali, scientifici e medici PCB (ISM) richiedono dispositivi più affidabili e robusti, con livelli di potenza di uscita RF di diversi kilowatt. Questi sistemi si sono storicamente affidati all'elettronica del vuoto (VED), come i tubi ad onda mobile (TWT), per generare kilowatt di potenza. Al fine di risolvere la crescente complessità e costo dei sistemi basati su VED, il tasso di utilizzo degli amplificatori di potenza a stato solido basati su semiconduttori (SSPA) ha superato alcuni dispositivi a bassa frequenza e bassa potenza. All'inizio, il semiconduttore utilizzato era il silicio LDMOS. Più tardi, GaAs è stato utilizzato anche. Per la produzione di amplificatori di potenza a stato solido, la maggior parte di loro ora utilizza GaN. Tuttavia, i problemi del mercato dell'alta potenza sono ancora risolti principalmente dal VED. Nelle applicazioni radar, la tecnologia LDMOS ha fatto solo pochi progressi in termini di alta potenza RF a causa della sua limitazione di bassa frequenza. Sebbene la tecnologia GaAs possa funzionare sopra i 100GHz, la sua bassa conducibilità termica e tensione operativa limitano il suo livello di potenza in uscita. Per realizzare dispositivi ad alta potenza, gli amplificatori GaAs devono collegare più dispositivi in parallelo, quindi il costo di utilizzare più dispositivi è ridotto l'efficienza e aumentato il costo. L'attuale tecnologia GaN/SiC 50V può fornire centinaia di watt di potenza in uscita alle alte frequenze e può fornire la robustezza e l'affidabilità richieste dai sistemi radar, ma le sfide non si fermano qui.

Dal 2014 Integra Technologies conduce ricerca e sviluppo nel campo GaN/SiC ad alta tensione (HV) per espandere ulteriormente la tecnologia per raggiungere il livello di potenza multi-kilowatt richiesto per i sistemi radar di prossima generazione. Poiché i progettisti di sistemi devono ridurre i costi operativi totali del ciclo di vita aumentando la complessità dei radar, è più urgente che mai promuovere soluzioni a stato solido utilizzando piattaforme di produzione commerciali. HV GaN/SiC di Integra ha dimostrato che l'efficienza può superare l'80% per un'onda continua 100V con una densità di potenza di 10W/mm e un impulso 150V con una densità di potenza di 20W/mm.

Tecnologia GaN ad alta voltazioneIl funzionamento a livello di transistor a tensioni più elevate apre nuovi gradi di libertà per la progettazione di amplificatori RF ad alta potenza. Questa tecnologia può fare un miglior compromesso tra maggiore densità di potenza e maggiore impedenza. Questa flessibilità consente di abbinare transistor single-ended fino a 10kW ad un carico 50Ω e quindi, attraverso una corretta ottimizzazione armonica, è possibile ottenere un'efficienza dell'80% alle frequenze UHF. Integra ha dimostrato con successo queste prestazioni su bande di frequenza più elevate come la banda L e la banda X.

Una delle sfide per i dispositivi che operano ad alte densità di potenza da 10 a 20 W/mm è quella di condurre il calore lontano dall'area attiva del dispositivo a semiconduttore. Integra risolve questo problema di dissipazione del calore combinando i brevetti termici Integra e i materiali epitassiali HV GaN/SiC, design e packaging dei dispositivi. Vantaggi dei sistemi ad alta tensione GaNFor nella gamma 100kW, i progettisti di sistemi possono utilizzare solo la tecnologia VED o 50V GaN/SiC SSPA. Per i progetti a stato solido, è necessario un gran numero di dispositivi di potenza per raggiungere la potenza desiderata di diversi kilowatt. HV GaN/SiC di Integra può ottenere una potenza superiore. Allo stesso tempo, il numero di transistor di potenza RF, la complessità del sistema e il costo totale possono essere significativamente ridotti.

Ad esempio, un sistema da 200kW costruito con transistor da 50V e 1kW richiederà più di 200 transistor per raggiungere la potenza target, ma ciò causerà complesse combinazioni di potenza e relative perdite di efficienza. Con i transistor GaN/SiC HV da 10kW, lo stesso sistema da 200kW necessita solo di circa 20 transistor. Ridurre significativamente il numero di transistor e la complessa combinazione di potenza portata da questi dispositivi, garantendo al contempo una maggiore efficienza. Ciò consente agli ingegneri di sistemi radar di progettare radar più competitivi e a basso costo, che possono anche ridurre i costi operativi durante la loro vita.

La tecnologia HV GaN/SiC può utilizzare substrati SiC di grado di produzione di massa invece di fornitura più costosa e limitata di materiali di substrato più unici, come il diamante. Il processo HV GaN è costruito su materiali commerciali tradizionali e piattaforme di produzione per ridurre i costi.

HV GaN/SiC di Integra fornisce un'alternativa allo stato solido al VED e la sua tecnologia sfrutta le catene di fornitura commerciali tradizionali. Utilizzando la tecnologia brevettata di miglioramento termico di Integra, la piattaforma risolve il problema della dissipazione del calore causato dal funzionamento ad alta densità di potenza, sviluppando così una tecnologia più affidabile e potente in grado di soddisfare le esigenze dei radar di prossima generazione. tensioni e frequenze, tutti elementi chiave dei radar avanzati e di altre comunicazioni a banda larga nella banda L. GaN ha una densità di potenza superiore a LDMOS o GaAs. Tuttavia, man mano che i livelli di potenza RF aumentano, le prestazioni termiche devono essere ottimizzate per mantenere la temperatura di giunzione del semiconduttore abbastanza bassa da ridurre al minimo il consumo energetico e garantire una lunga durata del transistor. Quando i transistor sono implementati utilizzando la tecnologia di montaggio superficiale (SMT), il PCB deve essere progettato attentamente per ottimizzare le prestazioni di dissipazione del calore.

Un esempio di riferimento di un amplificatore di potenza (PA) utilizzato per risolvere questo problema ad alta tensione e dissipazione del calore è progettato con Qorvo QPD1013, che è un transistor ad alta mobilità elettronica ad alta potenza e larghezza di banda larga (HEMT). Il dispositivo adotta il supporto superficiale standard di settore 7.2mm * 6.6mm, pacchetto doppio piatto senza piombo (DFN). Rispetto al pacchetto tradizionale del cermet, può realizzare un assemblaggio PCB più semplice.

QPD1013 utilizza la tecnologia GaN/SiC di Qorvo 0.5μm e può funzionare a 65V. La PA offre una maggiore efficienza e una larghezza di banda più ampia, adatta a molti scenari applicativi da DC a 2,7 GHz, inclusi radar militari, comunicazioni mobili terrestri o radio militari. La banda di frequenza di lavoro dell'esempio PA copre da 1,2 a 1,8 GHz, può fornire 160W di potenza di uscita in radiofrequenza e l'efficienza è di circa il 55%, come mostrato nella figura 5. Sebbene l'efficienza del PA sia impressionante, la dissipazione di potenza supera ancora 100W, evidenziando la necessità di soluzioni efficaci di dissipazione del calore.

Al fine di ottimizzare le prestazioni di dissipazione del calore, il design di riferimento PA utilizza la tecnologia "rame coin". Le monete di rame sono fogli o strisce di rame solidi incorporati nel PCB durante il processo di produzione per consentire un efficiente trasferimento di calore dal transistor al vettore PCB. Sebbene la tecnologia di riempimento dei vias con rame sia molto comune e la più economica, la tecnologia delle monete di rame può fornire migliori prestazioni di trasferimento del calore.

Come mostrato nella Figura 6, le monete di rame hanno un leggero impatto sulle prestazioni RF dell'amplificatore, che devono essere prese in considerazione nella progettazione. Anche se la moneta di rame migliora la resistenza termica, occorre prestare attenzione a garantire che la superficie del PCB sia piatta e che ci sia un buon contatto tra la moneta di rame e il pad di terra DFN. Eventuali vuoti d'aria o vuoti di saldatura indeboliranno i vantaggi intrinseci del metodo della moneta di rame.