PCBニュース - 超高出力GaNデバイス

ほとんどの動作電圧 GaNデバイス 現在の市場は28または50 vです. 28 Vの動作電圧デバイスはより一般的である, しかし、高電力回路用の50 Vの動作電圧装置を提供することができるいくつかの製造業者も存在する. 現在, 50 Vの作動電圧は、最も GaNデバイス 長期的かつ確実な作業性能を確保することができる. しかし, いくつかの会社が発展している GaNデバイス より高い電力アプリケーションシナリオのためのより高い動作電圧で, そして、これらの高電力アプリケーションシナリオでより良い熱散逸解決を求めています. 著者はいくつかの会社に連絡し、65 Vを超える動作電圧を持つデバイスとの作業のいくつかの例を得た, とインテグラ技術とQORVOから受信情報. 本稿では、これらの内容を要約し、著者が市場で見ているものを冷却ソリューションのいくつかについて概説する.
Develop high-voltage GaN to replace vacuum electronics
Many aerospace and defense radars, 衛星通信, と産業, PCB基礎医学(ISM) systems require more reliable and rugged devices, 数キロワットのRF出力電力レベルで. These systems have historically relied on vacuum electronics (VED), such as traveling wave tubes (TWT), キロワットの電力を生成する. VEベースシステムの増加する複雑さとコストを解決するために, the utilization rate of semiconductor-based solid-state power amplifiers (SSPA) has surpassed some low-frequency and low-power devices. 初めに, 半導体はシリコンLDMOSであった. 後, GaAsも使用された. 固体電力増幅器の製造のために, それらのほとんどは、現在、GaN. しかし, 高パワー市場の問題は、主に.
レーダー応用, LDMOS技術 低周波数の制限による高周波電力に関してはほとんど進歩していない. GaAs技術は100 GHz以上で動作できるが, その低い熱伝導率および動作電圧は、その出力電力レベルを制限する. 高出力デバイスを実現するために, GaAs増幅器は並列に複数のデバイスを接続する必要がある, したがって、複数のデバイスを使用するコストは、効率を低下させ、コストを増大させる. 今日の50 VのGaN/SiC技術は高周波数で数百ワットの出力電力を供給することができる, レーダシステムに要求されるロバスト性と信頼性を提供することができる, しかし、課題はそこで停止しない.

2014年以来、インテグラ技術は高電圧（HV）GaN / SiC分野での研究開発を進めており、次世代のレーダーシステムに必要なマルチキロワット電力レベルを達成するための技術をさらに拡張する。システム設計者は、レーダーの複雑さを増加させながら、トータルライフサイクルのコストを削減する必要があるため、商用製造プラットフォームを使用して、ソリッドステートソリューションを促進することは、これまで以上に緊急である。インテグラルのhv gan／sicは，パワー密度10 w／mmと150 w／mmのパワー密度をもつ150 vパルスの100 v連続波に対して効率が80 %を超えることが分かった。

High-voltage GaN technology
Transistor-level operation at higher voltages opens up new degrees of freedom for the design of high-power RF amplifiers. この技術は、より高い電力密度とより高いインピーダンスとの間のより良いトレードオフを得ることができる. この可撓性により、シングルエンドトランジスタは、10 kWまで50Ωの負荷に整合することができる, そして適切な高調波チューニングの最適化, UHF周波数で80 %の効率が得られる. インテグラルはLバンドとXバンドのようなより高い周波数帯でこの性能を実証した.

10〜20 Wの高出力密度で動作するデバイスに対する挑戦の1つ/mmは、半導体デバイスの活性領域から離れて熱を伝導することになっている. Integraの熱パテントとHV‐GaNを組み合わせてこの熱放散問題を解く/SiCエピタキシャル材料, デバイス設計と実装.
Advantages of high-voltage GaN
For high-power systems in the 100kW range, システム設計者は、EVEN技術または50 VのGaNしか使用できない/SiCスパ. ソリッドステートデザイン, 数キロワットの必要な目標電力を達成するために、多数の電力デバイスが必要である. インテグラのHVガン/SiCはより高いパワーを達成できる. 同時に, RFパワートランジスタの数, システムの複雑さとトータルコストを大幅に削減することができます.

例えば、50 V、1 kWのトランジスタで構築された200 kWシステムは、目標電力に到達する200以上のトランジスタを必要とするが、これは複雑な電力の組み合わせおよび関連する効率損失を引き起こす。10 kwのhv gan／sicトランジスタでは，同じ200 kwシステムは約20トランジスタしか必要としない。より高い効率を確実にしている間、これらのデバイスによって、もたらされるトランジスタおよび複合電源組合せのナンバーを有意に減らす。これは、レーダーシステムエンジニアがより競争的で低コストのレーダーを設計することができます。

HV GaN／SiC技術は、ダイヤモンドなどのよりユニークな基板材料のより高価で限られた供給の代わりに大量生産グレードSiC基板を利用することができる。HV - GaNプロセスは、コストを減らすために主流のコマーシャル材料と製造プラットホームに建設されます。

インテグラのHVガン/SiCは固体への代替をもたらす, そしてその技術は主流の商業サプライチェーンを活用する. Integraの特許を受けた熱強化技術を使用することによって, プラットフォームは高電力密度運転に起因する放熱問題を解決する, これにより、次世代レーダのニーズを満たすことができる、より信頼性の高い、かつ強力な技術を開発する.
160W GaN PA overcomes the heat dissipation problem of SMT packaging
Innovations in GaN technology allow devices to operate at higher powers, L - bandにおける先進レーダと他の広帯域通信の主要要素である電圧及び周波数. GaNは、LDMOSまたはGaAsより高い電力密度を有する. しかし, RF電力レベルが増加するにつれて, 熱性能は、消費電力を最小にし、長いトランジスタ寿命を確保するのに十分な半導体の接合温度を維持するように最適化されなければならない. When transistors are implemented using surface mount technology (SMT), the PCB 熱放散性能を最適化するために慎重に設計する必要がある.

この高電圧及び熱放散問題を解決するために使用される電力増幅器（PA）の基準例は、高電力、広帯域幅の高電子移動度トランジスタ（HEMT）であるQorvo QPD 1013を用いて設計される。装置は、産業標準7.2 mm * 6.6 mmの表面馬、二重フラットなしリード（DFN）パッケージを採用します。従来のサーメットパッケージと比較して，より簡単なpcb組立を実現できる。

QPD 1013はQorvoの0を使用する.- 5×1 / 4 m/SiC技術と65 Vで働く. PAは、より高い効率およびより広い帯域幅を提供する, DCから2への多くのアプリケーションシナリオにふさわしい.7 GHz, 軍事レーダーを含む, 陸上移動通信. 実施例PAの動作周波数帯域は、1をカバーする.2から1.8 GHz, 160 Wの無線周波数出力電力を提供することができる, 効率は約55 %, 図5に示すように. PAの効率は印象的ですが, 電力損失は100 Wを超える, 効果的な熱放散解の必要性を強調する.

放熱性能を最適化するために, 基準設計PAは「銅コイン」技術を利用する. 銅貨は、その中に埋め込まれた固体銅板またはストリップである PCB 製造プロセス中にトランジスタから効率的な熱伝達を可能にする PCBキャリア. ビアに銅を充填する技術は非常に一般的で最も経済的であるが, 銅コイン技術はより良い熱伝達性能を提供できる.

図6に示すように, 銅コインは増幅器のRF性能にわずかな影響を及ぼす, 設計上考慮すべき. 銅コインは熱抵抗を改善するが, その表面を確保するために注意しなければならない PCB 平らで、銅コインとDFNグラウンドパッドの間に良い接触がある. 任意のエアギャップまたははんだボイドは、銅貨法の固有の利点を弱める.