Berita PCB - Peranti GaN kuasa ultra-tinggi

Tengah operasi kebanyakan peranti GaN yang sedang di pasar adalah 28 atau 50V. Peranti tegangan operasi 28V adalah lebih umum, tetapi terdapat juga beberapa pembuat yang boleh menyediakan peranti tegangan operasi 50V untuk sirkuit kuasa yang lebih tinggi. Pada masa ini, tenaga kerja 50V adalah had yang kebanyakan peranti GaN boleh mencapai dalam keadaan memastikan prestasi kerja jangka panjang dan boleh dipercayai. Namun, beberapa syarikat telah mengembangkan peranti GaN dengan tenaga operasi yang lebih tinggi untuk skenario aplikasi kuasa yang lebih tinggi, dan sedang mencari solusi penyebaran panas yang lebih baik dalam skenario aplikasi kuasa tinggi ini. Penulis menghubungi beberapa syarikat dan mendapat beberapa contoh kerja mereka dengan peranti dengan tenaga kerja lebih daripada 65V, dan menerima maklumat dari Integra Technologies dan Qorvo. Artikel ini singkatkan kandungan ini dan menjelaskan apa yang penulis nampak di pasar Beberapa penyelesaian pendinginan. Kembangkan GaN tegangan tinggi untuk menggantikan elektronik vakum Banyak radar udara dan pertahanan, komunikasi satelit, dan sistem industri, PCB saintifik dan perubatan (ISM) memerlukan peranti yang lebih dipercayai dan kasar, dengan aras kuasa output RF beberapa kilowatt. Sistem ini telah bersejarah bergantung pada elektronik vakum (VED), seperti tabung gelombang perjalanan (TWT), untuk menghasilkan kilowatt kuasa. Untuk menyelesaikan peningkatan kompleksiti dan kos sistem berdasarkan VED, kadar penggunaan peningkat kuasa berdasarkan setengah konduktor (SSPA) telah melebihi beberapa peranti frekuensi rendah dan kuasa rendah. Pada awalnya, semikonduktor yang digunakan adalah LDMOS silikon. Kemudian, GaAs juga digunakan. Untuk penghasilan penyembah kuasa kuasa kuat, kebanyakan mereka sekarang menggunakan GaN. Namun, masalah pasar tenaga tinggi masih terutama diselesaikan oleh VED. Dalam aplikasi radar, teknologi LDMOS hanya membuat sedikit kemajuan dalam terma kuasa RF tinggi kerana keterangan frekuensi rendah. Walaupun teknologi GaAs boleh berfungsi di atas 100GHz, konduktiviti suhu rendah dan tekanan operasi terhadap aras kuasa output. Untuk menyedari peranti kuasa tinggi, penyampai GaAs perlu menyambungkan peranti berbilang secara selari, jadi biaya menggunakan peranti berbilang adalah mengurangi efisiensi dan meningkat biaya. Teknologi 50V GaN/SiC hari ini boleh menyediakan ratusan watt kuasa output pada frekuensi tinggi, dan boleh menyediakan kepekatan dan kepercayaan yang diperlukan oleh sistem radar, tetapi cabaran tidak berhenti di sana.

Sejak 2014, Integra Technologies telah melakukan kajian dan pembangunan dalam medan GaN/SiC tegangan tinggi (HV) untuk mengembangkan teknologi lebih lanjut untuk mencapai aras kuasa berbilang-kilowatt yang diperlukan untuk sistem radar generasi seterusnya. Sebagai perancang sistem perlu mengurangi jumlah kosong operasi bulan hidup sambil meningkatkan kompleksiti radar, ia lebih penting daripada sebelumnya untuk mempromosikan penyelesaian-keadaan kuat menggunakan platform penghasilan komersial. HV GaN/SiC Integra telah membuktikan bahawa efisiensi boleh melebihi 80% untuk gelombang berterusan 100V dengan ketepatan kuasa 10W/mm dan denyutan nadi 150V dengan ketepatan kuasa 20W/mm.

Transistor-level operation at higher voltages opens up new degrees of freedom for the design of high-power RF amplifiers. Teknologi ini boleh membuat perdagangan yang lebih baik antara ketepatan kuasa yang lebih tinggi dan impedance yang lebih tinggi. Fleksibiliti ini membolehkan transistor berakhir tunggal sehingga 10kW untuk sepadan dengan muatan 50Ω, dan kemudian melalui optimasi penyesuaian harmonik yang betul, Efisiensi 80% boleh dicapai pada frekuensi UHF. Integra telah berjaya menunjukkan prestasi ini pada band frekuensi yang lebih tinggi seperti band L dan band X.

Salah satu cabaran bagi peranti yang berfungsi pada densiti kuasa tinggi 10 hingga 20 W/mm adalah untuk menjalankan panas jauh dari kawasan aktif peranti setengah konduktor. Integra menyelesaikan masalah penyebaran panas ini dengan menggabungkan paten panas Integra dan bahan epitaksi HV GaN/SiC, desain peranti dan pakej. Keuntungan GaNFor high-power systems in the 100kW range, system designers can only use VED technology or 50V GaN/SiC SSPA. Untuk reka-reka keadaan-kuat, jumlah besar peranti kuasa diperlukan untuk mencapai kuasa sasaran yang diperlukan beberapa kilowatt. HV GaN/SiC Integra boleh mencapai kuasa yang lebih tinggi. Pada masa yang sama, bilangan transistor kuasa RF, kompleksiti sistem dan jumlah kos boleh dikurangkan secara signifikan.

Contohnya, sistem 200kW dibina dengan 50V, 1kW transistor akan memerlukan lebih dari 200 transistor untuk mencapai kuasa sasaran, tetapi ini akan menyebabkan kombinasi kuasa kompleks dan kerugian efisiensi berkaitan. Dengan transistor 10kW HV GaN/SiC, sistem 200kW yang sama hanya memerlukan sekitar 20 transistor. Secara signifikan mengurangi bilangan transistor dan kombinasi kuasa kompleks yang dibawa oleh peranti ini, sambil memastikan efisiensi yang lebih tinggi. Ini membenarkan jurutera sistem radar untuk merancang radar yang lebih kompetitif dan lebih rendah, yang juga boleh mengurangkan biaya operasi selama hidup mereka.

Teknologi HV GaN/SiC boleh menggunakan substrat grad produksi massa SiC selain daripada bekalan yang lebih mahal dan terbatas bahan substrat yang lebih unik, seperti berlian. Proses HV GaN dibangun pada bahan komersial utama dan platform penghasilan untuk mengurangi kos.

HV GaN/SiC Integra menyediakan alternatif keadaan-kuat untuk VED, dan teknologinya mengakibatkan rantai bekalan komersial utama. Dengan menggunakan teknologi penerbangan panas yang dipotensi Integra, platform menyelesaikan masalah penyebaran panas disebabkan oleh operasi padat tenaga tinggi, dengan itu mengembangkan teknologi yang lebih boleh dipercayai dan berkuasa yang boleh memenuhi keperluan radar generasi seterusnya.160W GaN PA mengatasi masalah penyebaran panas SMT packagingInnovations dalam teknologi GaN membolehkan peranti beroperasi dengan kuasa tinggi, Tengah dan frekuensi-semuanya adalah unsur utama radar maju dan komunikasi broadband lain dalam band L. GaN mempunyai ketepatan kuasa yang lebih tinggi daripada LDMOS atau GaAs. Namun, semasa aras kuasa RF meningkat, prestasi panas mesti optimum untuk menjaga suhu sambungan setengah konduktor cukup rendah untuk minimumkan konsumsi kuasa dan memastikan kehidupan transistor panjang. Apabila transistor dilaksanakan menggunakan teknologi lekap permukaan (SMT), PCB perlu direka dengan hati-hati untuk optimize prestasi penyebaran panas.

Contoh rujukan amplifier kuasa (PA) yang digunakan untuk menyelesaikan masalah tenaga tinggi dan penyebaran panas ini direka dengan Qorvo QPD1013, yang adalah transistor kelajuan elektron kuasa tinggi, lebar band tinggi (HEMT). Peranti mengadopsi standar industri penyelesaian permukaan 7.2mm*6.6mm, pakej dua rata tanpa-lead (DFN). Berbanding dengan pakej cermet tradisional, ia boleh menyedari kumpulan PCB yang lebih mudah.

QPD1013 menggunakan teknologi GaN/SiC 0.5μm Qorvo dan boleh bekerja di 65V. PA menyediakan efisiensi yang lebih tinggi dan lebar band yang lebih luas, sesuai untuk banyak skenario aplikasi dari DC ke 2.7GHz, termasuk radar tentera, komunikasi radio bimbit tanah atau tentera. Band frekuensi kerja contoh PA meliputi 1.2 hingga 1.8 GHz, boleh menyediakan kuasa output frekuensi radio 160W, dan efisiensi adalah kira-kira 55%, seperti yang dipaparkan dalam Figur 5. Walaupun efisiensi PA mengesankan, penyebaran kuasa masih melebihi 100 W, menandakan keperluan untuk penyelesaian penyebaran panas yang efektif.

Untuk optimumkan prestasi penyebaran panas, desain rujukan PA menggunakan teknologi "koin tembaga". Syiling tembaga adalah lembaran tembaga yang kuat atau garis yang terlibat dalam PCB semasa proses penghasilan untuk membolehkan pemindahan panas efisien dari transistor ke pembawa PCB. Walaupun teknologi mengisi botol dengan tembaga sangat umum dan teknologi koin tembaga yang paling ekonomi boleh menyediakan prestasi pemindahan panas yang lebih baik.

Seperti yang dipaparkan dalam Gambar 6, koin tembaga mempunyai kesan ringan pada prestasi RF amplifier, yang mesti dianggap dalam rancangan. Walaupun koin tembaga meningkatkan resistensi panas, mesti berhati-hati untuk memastikan permukaan PCB adalah rata dan ada kenalan yang baik antara koin tembaga dan pad tanah DFN. Setiap ruang udara atau kosong solder akan melemahkan keuntungan yang ada dalam kaedah koin tembaga.