Новости PCB - прибор на сверхвысокой мощности

The operating voltage of most GaN devicescurrently on the market is 28 or 50V. 28V operating voltage devices are more common, Но есть и другие производители, которые могут поставлять 50В устройство рабочего напряжения для контуров высокой мощности. At present, 50V рабочее напряжение - предел, который может быть достигнут большинством приборов ган при условии обеспечения надежных рабочих характеристик в долгосрочной перспективе. Однако, a few companies have been developing GaN devices with higher operating voltages for higher power application scenarios, и поиск более эффективных решений теплоотвода в этих сценариях применения высокой мощности. The author contacted several companies and got some examples of their working with devices with a working voltage greater than 65V, Информация также получена из Integra Technologies and Qorvo. This article summarizes these contents and outlines what the author sees in the market Some of the cooling solutions.
Develop high-voltage GaN to replace vacuum electronics
Many aerospace and defense radars, спутниковая связь, and industrial, PCB наука и медицина(ISM) systems require more reliable and rugged devices, выходная мощность радиочастоты в несколько тысяч ватт. These systems have historically relied on vacuum electronics (VED), such as traveling wave tubes (TWT), to generate kilowatts of power. для решения возрастающей сложности и издержек систем, основанных на VED, the utilization rate of semiconductor-based solid-state power amplifiers (SSPA) has surpassed some low-frequency and low-power devices. вначале, Используемые полупроводники - кремниевые LDMOS. Later, используется также арсенид галлия. For the manufacture of solid-state power amplifiers, Большинство из них сейчас используют Gan. However, Проблемы рынка большой мощности по - прежнему решаются главным образом VED.
In radar applications, LDMOS technology has only made little progress in terms of high RF power due to its low frequency limitation. хотя технология арсенида галлия может работать более чем на 100 ггц, its low thermal conductivity and operating voltage limit its output power level. прибор большой мощности, GaAs amplifiers need to connect multiple devices in parallel, Поэтому стоимость использования нескольких видов оборудования снижает эффективность и увеличивает затраты. Today's 50V GaN/технология Sic может обеспечивать мощность в сотни ватт при высокой частоте, and can provide the robustness and reliability required by radar systems, но не только это.

с 2014 года "интергра текнолоджиз" проводит исследования в области высоковольтных (HV) Gan / Sic в целях дальнейшего расширения этой технологии и достижения уровня мощности в несколько киловатт, необходимого для следующего поколения РЛС. с учетом необходимости снижения эксплуатационных расходов на весь жизненный цикл и повышения сложности радиолокаторов как никогда ранее настоятельно необходимо поощрять твердотельные решения, основанные на коммерческих производственных платформах. "интергра" доказала, что эффективность может превышать 80% при частоте 100 вт / мм и 150 вт / мм при плотности мощности 20 вт / мм.

High-voltage GaN technology
Transistor-level operation at higher voltages opens up new degrees of freedom for the design of high-power RF amplifiers. Эта технология позволяет лучше взвешивать между высокой плотностью мощности и более высоким сопротивлением.. This flexibility allows single-ended transistors up to 10kW to be matched to a 50Ω load, затем оптимизировать с помощью соответствующей гармонической настройки, 80% efficiency can be achieved at UHF frequencies. Integra успешно демонстрировал это свойство на более высоких частотах (например, L - и X - диапазонах).

одна из проблем для оборудования, работающего при высокой плотности мощности 10 - 20 Вт/мм теплопередача из активной зоны полупроводникового прибора. Integra solves this heat dissipation problem by combining Integra's thermal patents and HV GaN/Сик - эпитаксиальный материал, device design and packaging.
Advantages of high-voltage GaN
For high-power systems in the 100kW range, system designers can only use VED technology or 50V GaN/Sic SSPA. For solid-state designs, для достижения мощности в несколько тысяч ватт требуется большое количество мощности. нитрид галлия/Sic может получить большую мощность. At the same time, количество транзисторов радиочастотной мощности, system complexity and total cost can be significantly reduced.

например, система 200kW, построенная на транзисторах 50V и 1kW, требует более 200 транзисторов для достижения требуемой мощности, однако это приведет к сложному сочетанию мощностей и соответствующим потерям эффективности. для 10kw высоковольтных транзисторов Gan / Sic для той же системы 200kw требуется лишь около 20 транзисторов. значительное сокращение количества транзисторов и сложного сочетания мощности, обеспечиваемого этими оборудованием, при одновременном обеспечении большей эффективности. Это позволяет инженерам радиолокационных систем разрабатывать более конкурентоспособные и менее дорогостоящие радары, что также снижает эксплуатационные расходы в течение срока их службы.

технология HV Gan / Sic позволяет использовать обшивку Sic для крупномасштабного производства, а не более дорогостоящие и ограниченные поставки более уникальных материалов для подложки, таких, как алмазы. технология HV - Gan основана на основных коммерческих материалах и производственных платформах в целях снижения затрат.

Integra's HV GaN/SiC provides a solid-state alternative to VED, ее технология основана на основных коммерческих производственно - сбытовых цепях. By using Integra's patented thermal enhancement technology, платформа решает проблемы теплоотвода при работе с высокой плотностью мощности, thereby developing a more reliable and powerful technology that can meet the needs of next-generation radars.
160W GaN PA overcomes the heat dissipation problem of SMT packaging
Innovations in GaN technology allow devices to operate at higher powers, напряжение и частота - все это ключевые элементы усовершенствованной радиолокационной и другой широкополосной связи в диапазоне L. Gan имеет более высокую плотность мощности, чем LDMOS или GaAs. However, с повышением уровня радиочастотной мощности, thermal performance must be optimized to keep the junction temperature of the semiconductor low enough to minimize power consumption and ensure a long transistor life. When transistors are implemented using surface mount technology (SMT), the PCB needs to be carefully designed to optimize heat dissipation performance.

A reference example of a power amplifier (PA) used to solve this high voltage and heat dissipation problem is designed with Qorvo QPD1013, Это очень сильный, wide-bandwidth high electron mobility transistor (HEMT). оборудование принимает отраслевой стандарт.2mm×6.6mm поверхности наклейки, dual flat no-lead (DFN) package. по сравнению с традиционным металлокерамическим корпусом, it can realize simpler PCB assembly.

QPD1013 использовать 0.5μm GaN/Sic Technology, может работать под 65V. The PA provides higher efficiency and wider bandwidth, сценарий для многих приложений от DC до 2.7GHz, including military radar, сухопутная или военная радиосвязь. The working frequency band of the example PA covers 1.соотношение 2: 1.8 GHz, выходная мощность радиочастоты 160W, and the efficiency is about 55%, Как показано на диаграмме 5. Although the efficiency of the PA is impressive, мощность по - прежнему превышает 100 Вт, highlighting the need for effective heat dissipation solutions.

для оптимизации теплоотдачи, the reference design PA utilizes "copper coin" technology. медные монеты - это сплошная медная или медная лента, встроенная в PCB в процессе изготовления для обеспечения эффективной теплопередачи от транзистора к пластине цепи PCB - носитель. хотя технология заполнения отверстий медью является очень распространенной и наиболее экономичной, copper coin technology can provide better heat transfer performance.

Как показано на диаграмме 6, copper coins have a slight impact on the RF performance of the amplifier, необходимо учитывать это при проектировании. Although the copper coin improves the thermal resistance, care must be taken to ensure that the surface of the PCB is flat and that there is good contact between the copper coin and the DFN ground pad. любой воздушный зазор или зазор припоя ослабит неотъемлемое преимущество монетного права.