PCB 뉴스 - 초고출력 GaN 장치

현재 시중에 나와 있는 대부분의 GaN 부품의 작동 전압은 28 또는 50V입니다.28V 작동 전압 장치는 더 일반적이지만 일부 제조업체는 더 높은 전력 회로에 50V 작동 전압 장치를 제공 할 수 있습니다.현재 50V의 작동 전압은 대부분의 GaN 부품이 장기적이고 신뢰할 수 있는 작업 성능을 보장하는 상황에서 달성할 수 있는 한계이다.그러나 일부 회사들은 더 높은 전력 응용 시나리오를 위해 더 높은 작동 전압을 가진 GaN 부품을 개발하고 있으며, 이러한 고전력 응용 시나리오에서 더 나은 냉각 솔루션을 찾고 있습니다.저자는 여러 회사에 연락하여 65V 이상의 작동 전압을 가진 장치를 사용하는 몇 가지 예를 얻었으며 Integra Technologies 및 Qorvo로부터 정보를 얻었습니다.이 문서는 이러한 내용을 요약하고 저자가 시장에서 본 냉각 솔루션의 일부를 요약합니다. 진공 전자 장비를 대체하기 위해 고압 질화 갈륨을 개발합니다. 많은 항공 우주 및 국방 레이더, 위성 통신 및 산업, PCB 과학 및 의료 (ISM) 시스템은 수천 와트의 RF 출력 수준을 가진 더 신뢰할 수 있고 견고한 장비를 필요로합니다.이러한 시스템은 역사적으로 킬로와트의 전력을 생성하기 위해 행파관 (TWT) 과 같은 진공 전자 부품 (VED) 에 의존해 왔습니다.VED 기반 시스템의 복잡성과 비용 증가를 해결하기 위해 반도체 기반 SSPA(솔리드 스테이트 전력 증폭기)의 활용도는 이미 저주파 및 저전력 부품을 능가하고 있다.처음에 사용된 반도체는 실리콘 LDMOS였다.나중에 갈륨비소도 사용됐다.솔리드 스테이트 전력 증폭기 제조의 경우 이들 대부분은 이제 GaN을 사용합니다.그러나 고출력 시장의 문제는 여전히 주로 VED에 의해 해결된다. 레이더 응용에서 LDMOS 기술은 저주파 제한으로 인해 고주파 출력에서 진전이 미미하다.갈륨비소 기술은 100GHz 이상에서 작동할 수 있지만 낮은 열전도도와 작동 전압으로 출력 수준을 제한합니다.고출력 부품을 구현하기 위해 GaAs 증폭기는 여러 부품을 병렬로 연결해야 하기 때문에 여러 부품을 사용하는 비용이 효율을 낮추고 비용을 증가시킨다.오늘날의 50V GaN/SiC 기술은 고주파에서 수백 와트의 출력을 제공하고 레이더 시스템에 필요한 노봉성과 신뢰성을 제공할 수 있지만 그 이상의 도전은 없다.

Integra Technologies는 2014 년부터 차세대 레이더 시스템에 필요한 kW의 전력 수준을 달성하기 위해 고압 (HV) GaN/SiC 분야에서 개발을 수행해 왔습니다.시스템 설계자는 레이더의 복잡성을 증가시키는 동시에 전체 수명 주기의 운영 비용을 절감해야 하기 때문에 상업용 제조 플랫폼을 사용하여 솔리드 스테이트 솔루션을 보급하는 것이 그 어느 때보다 시급합니다.Integra의 HV GaN/SiC는 전력 밀도가 10W/mm인 100V 연속파와 전력 밀도가 20W/mm인 150V 펄스에 대해 80% 이상의 효율을 낼 수 있다는 것을 증명했다.

고전압 GaN 기술의 더 높은 전압에서의 트랜지스터 레벨 조작은 고출력 RF 증폭기의 설계에 새로운 자유를 열어줍니다.이 기술은 더 높은 전력 밀도와 더 높은 임피던스 사이에서 더 나은 균형을 이룰 수 있습니다.이 유연성은 최대 10kW의 단일 끝 트랜지스터를 50섬 부하와 일치시킨 다음 적절한 고조파 튜닝 최적화를 통해 UHF 주파수에서 80% 의 효율을 낼 수 있다.Integra는 L-밴드와 X-밴드 같은 고대역에서 이러한 성능을 성공적으로 선보였습니다.

10~20W/mm의 고출력 밀도에서 작동하는 부품의 도전 중 하나는 반도체 부품의 유원지에서 열을 전도하는 것이다.Integra는 Integra의 열 특허와 고압 GaN/SiC 외연 소재, 부품 설계 및 패키지를 결합하여 이러한 열 방출 문제를 해결했습니다. 100kW 범위의 고출력 시스템의 경우 고압 GaN은 시스템 설계자가 VED 기술이나 50V GaN/SiC SSPA만 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.솔리드 스테이트 설계의 경우 필요한 목표 전력을 달성하기 위해 많은 전력 부품이 필요합니다.Integra의 HV GaN/SiC는 더 높은 전력을 제공합니다.또한 RF 전력 트랜지스터의 수, 시스템 복잡성 및 총 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

예를 들어, 50V, 1kW 트랜지스터로 구축된 200kW 시스템은 목표 전력에 도달하기 위해 200개 이상의 트랜지스터가 필요하지만, 이는 복잡한 전력 조합과 관련 효율 손실을 초래할 수 있다.10kW 고압 GaN/SiC 트랜지스터를 사용하면 같은 200kW 시스템에도 약 20개의 트랜지스터가 필요합니다.트랜지스터의 수량과 이러한 부품으로 인한 복잡한 전력 조합을 현저하게 줄이는 동시에 더욱 높은 효율을 확보하였다.이를 통해 레이더 시스템 엔지니어는 더 경쟁력 있고 비용이 적게 드는 레이더를 설계할 수 있으며, 이는 수명 내 운영 비용도 줄일 수 있다.

HV GaN/SiC 기술은 금강석과 같은 더 비싸고 제한적으로 공급되는 더 독특한 라이닝 소재 대신 대규모 생산급 SiC 라이닝을 활용할 수 있습니다.HV GaN 공정은 비용을 절감하기 위해 주요 상업용 재료 및 제조 플랫폼에 구축되었습니다.

Integra의 HV Gan/SiC는 VED의 솔리드 스테이트 대체품을 제공하며 주요 비즈니스 공급망을 활용하는 기술을 제공합니다.Integra의 특허 열 향상 기술을 사용하여 이 플랫폼은 고출력 밀도 조작으로 인한 열 방출 문제를 해결하여 차세대 레이더의 요구를 충족시킬 수 있는 더욱 신뢰할 수 있고 강력한 기술을 개발합니다. 160W GaN PA는 SMT 패키지의 열 방출 문제를 극복했습니다. GaN 기술의 혁신으로 부품은 더 높은 출력에서 작동할 수 있고,전압과 주파수, 이 모든 것은 L대역에서 첨단 레이더와 기타 광대역 통신의 핵심 부품이다.GaN은 LDMOS 또는 GaAs보다 전력 밀도가 높습니다.그러나 RF 전력 수준이 증가함에 따라 반도체의 결합 온도를 충분히 낮게 유지하기 위해 열 성능을 최적화해야하므로 전력 소비량을 최소화하고 트랜지스터의 수명을 보장해야합니다.표면 장착 기술(SMT)을 사용하여 트랜지스터를 구현할 때는 발열 성능을 최적화하기 위해 PCB를 신중하게 설계해야 합니다.

이러한 고전압 및 열 문제를 해결하는 데 사용되는 전력 증폭기 (PA) 의 참조 예는 고출력, 광대역 폭의 고전자 이동률 트랜지스터 (HEMT) 인 Qorvo QPD1013 로 설계되었습니다.이 부품은 업계 표준 7.2mm * 6.6mm 표면 설치, 이중 평면 무인도선 (DFN) 패키지를 사용합니다.전통적인 금속 세라믹 패키지보다 PCB 조립이 더 간단합니다.

QPD1013은 Qorvo의 0.5μm GaN/SiC 기술을 사용하여 65V에서 작동합니다.PA는 군용 레이더, 육상 이동 또는 군용 무선 통신을 포함하여 DC에서 2.7GHz에 이르는 많은 응용 시나리오에 더 높은 효율성과 넓은 대역폭을 제공합니다.예제 PA의 작동 대역은 1.2~1.8GHz로 160W의 무선 출력을 제공하며 그림 5와 같이 약 55% 효율을 제공합니다.PA는 인상적인 효율성에도 불구하고 100W 이상의 전력을 소비하여 효과적인 냉각 솔루션에 대한 요구 사항을 강조합니다.

냉각 성능을 최적화하기 위해 참고 설계 PA는 "동전" 기술을 채택했다.동전은 트랜지스터에서 PCB 캐리어로의 효과적인 열 전달을 허용하기 위해 제조 과정에서 PCB에 내장된 솔리드 구리 조각 또는 동 밴드입니다.구리로 구멍을 채우는 기술은 매우 흔하고 경제적이지만 구리 돈 기술은 더 나은 열 전달 성능을 제공합니다.

그림 6에서 볼 수 있듯이 동전은 증폭기의 무선 주파수 성능에 약간의 영향을 미치므로 설계할 때 반드시 이 점을 고려해야 한다.동전은 열 저항을 높였지만 PCB의 표면이 평평하고 동전과 DFN 접지 용접판 사이에 좋은 접촉이 있는지 확인해야 한다.가스 갭이나 용접재 갭은 동전법의 고유한 장점을 약화시킬 수 있다.