PCB Haberleri - Ultra yüksek güç GaN aygıtları

Şu anda pazarda olan çoğu GaN aygıtlarının operasyon voltasyonu 28 ya da 50V. 28V operasyon voltaj aygıtları daha yaygın, ama daha yüksek elektrik devreleri için 50V operasyon voltaj aygıtlarını sağlayan bazı üreticiler de var. Şu anda, 50V çalışma voltajı, çoğu GaN aygıtlarının uzun süre ve güvenilir çalışma performansını sağlayabileceği durumda ulaşabileceği sınırdır. Fakat birkaç şirket daha yüksek elektrik uygulama senaryosu için daha yüksek çalışma voltajları olan GaN aygıtlarını geliştiriyor ve bu yüksek elektrik uygulama senaryosunda daha iyi ısı dağıtma çözümlerini arıyorlar. Yazarı birkaç şirket ile iletişim kurdu ve 65V'den daha yüksek çalışma voltajı ile çalıştıkları örnekler aldı ve Integra Technologies ve Qorvo'dan bilgi alırdı. Bu makale bu içerikleri topluyor ve yazarın pazarda gördüklerini anlatır. Soğuk çözümlerinden bazı yüksek voltaj GaN'i, vakuum elektroniklerini değiştirmek için birçok aerospace ve savunma radarları, uydu iletişimleri ve endüstriyel, PCB bilimsel ve tıbbi(ISM) sistemlerinin, RF çıkış güç seviyesi ile daha güvenilir ve güçlü cihazlar gerekiyor. Bu sistemler tarihi olarak, kilowatt güç üretilmek için vakuum elektroniğine (VED) bağlı, yolculuk dalga tüpleri (TWT) gibi. VED tabanlı sistemlerin karmaşıklığını ve fiyatlarını çözmek için yarı yönetici tabanlı solid-state güç amplifikatörlerin (SSPA) kullanım oranı bazı düşük frekans ve düşük güç cihazlarının üstüne geçti. İlk başta kullanılan yarı yönetici silikon LDMOS idi. Sonra Gaas da kullanıldı. Sabit devlet güç amplifikatörlerinin üretilmesi için çoğu şu anda GaN kullanır. Fakat yüksek güç pazarının sorunları hâlâ VED tarafından çözülüyor. Radar uygulamaları içinde LDMOS teknolojisi, düşük frekans sınırlığı yüzünden yüksek RF gücü açısından az ilerleme yaptı. Gaas teknolojisi 100GHz üzerinde çalışabilir olsa da, sıcak hareketi ve çalışma voltajı çıkış güç seviyesini sınırlayabilir. Yüksek güç aygıtlarını fark etmek için, Gaas amplifikatörlerinin çoklu aygıtları paralel olarak bağlanması gerekiyor, bu yüzden çoklu aygıtlar kullanma maliyeti etkileşimliliğini ve yükseltmesi gerekiyor. Bugünkü 50V GaN/SiC teknolojisi yüksek frekanslarda yüzlerce watt çıkış gücünü sağlayabilir ve radar sistemleri tarafından gereken güçlü ve güveniliği sağlayabilir, ama zorluklar orada durmuyor.

2014 yılından beri, Integra Teknolojiler, gelecek nesil radar sistemleri için gereken çoklu kilowatt elektrik seviyesini arttırmak için yüksek voltaj alanında araştırma ve geliştirme yapıyor. Sistem tasarımcıları, radarların karmaşıklığını artırarken toplam hayat döngüsünü çalışma maliyetlerini azaltmalı olduğu için, ticari üretim platformları kullanarak solid durum çözümlerini terfi etmekten daha acil. Integra'nın HV GaN/SiC'nin etkileşimliliğin 10W/mm güç yoğunluğuyla 100 V s ürekli dalgası için %80'den fazla olduğunu kanıtladı ve 20 W/mm güç yoğunluğuyla 150V pulsu ile.

Yüksek voltajlarda yüksek voltajlar üzerinde yüksek voltajlar için yüksek güç RF amplifikatörlerinin tasarımı için yeni özgürlük derecelerini açıyor. Bu teknoloji yüksek güç yoğunluğu ve daha yüksek impedans arasında daha iyi bir ticaret yapabilir. Bu fleksibilit, tek sonlu transistorları 50Ω yükü ile eşleştirilmesine izin verir, sonra uygun harmonik ayarlama optimizasyonuyla, UHF frekanslarında %80 etkileşimliliğine ulaşabilir. Integra, L-band ve X-band gibi yüksek frekans bandlarında bu performansını başarıyla gösterdi.

10 ile 20 W/mm yüksek güç yoğunluğunda çalışan aygıtlar için zorluklardan biri yarı yönetici cihazının aktif alanından uzak sıcaklığı sürdürmektir. Integra, Integra'nın termal patenlerini ve HV GaN/SiC epitaksiyal maddelerini, cihaz tasarımı ve paketleme ile bu ıs ı patlama sorunu çözer.Yüksek voltaj GaNFor yüksek güç sistemlerinin önlemleri 100 kW menzilinde, sistem tasarımcıları sadece VED teknolojisini ya da 50V GaN/SiC SSPA kullanabilir. Sabit durum tasarımları için, birkaç kilowat hedef gücünü elde etmek için çok fazla güç cihazı gerekiyor. Integra'nın HV GaN/SiC daha yüksek güç ulaşabilir. Aynı zamanda, RF güç tranzistörlerinin sayısı, sistem karmaşıklığı ve toplam maliyetleri önemli olarak azaltılabilir.

Örneğin, 50V, 1kW transistorları ile inşa edilen 200kW sistemi hedef gücüne ulaşması için 200'den fazla transistor gerekecek, fakat bu karmaşık güç kombinasyonu ve bağlantı etkinliğin kaybetmesini sağlayacak. 10kW HV GaN/SiC transistorları ile aynı 200kW sistemi sadece 20 transistor ihtiyacı var. Bu aygıtlar tarafından getirdiği kompleks güç kombinasyonunun sayısını önemli olarak azaltır, daha yüksek etkileşimliliğini sağlayarak. Bu radar sistemi mühendislerinin hayatları boyunca işletim maliyetlerini de azaltabileceği daha rekabetçi ve düşük maliyetli radarları tasarlamasına izin verir.

HV GaN/SiC teknolojisi, elması gibi, daha pahalı ve sınırlı daha eşsiz substratlı maddelerin sağlığı yerine kütle üretim sınırı SiC substratlarını kullanabilir. HV GaN süreci, maliyetleri azaltmak için genel ticari maddeler ve üretim platformlarında inşa ediliyor.

Integra'nın HV GaN/SiC, VED'nin solid-state alternatifi s a ğlıyor ve teknolojisi genel reklam temsil zincirlerini etkiliyor. Integra'nın patentin termal geliştirme teknolojisini kullanarak, platform a yüksek güç yoğunluğu operasyonundan sebep olan s ıcak dağıtım sorunu çözer, bu yüzden gelecek nesil radarların ihtiyaçlarını yerine getirebilen güvenilir ve güçlü bir teknolojiyi geliştirir. L-grubun gelişmiş radar ve diğer geniş banda iletişimlerinin önemli elementleri olan voltaj ve frekanslar. GaN'in LDMOS veya GaAs'dan daha yüksek güç yoğunluğu var. Ancak, RF enerji seviyeleri arttığı sürece termal performansı, yarı yöneticinin birleşme sıcaklığını, enerji tüketimini azaltmak ve uzun bir transistor yaşamını sağlamak için yeterince düşük tutmak için iyileştirilmeli. Transistor yüzeysel dağıtım teknolojisi (SMT) kullanarak uygulandığında, PCB'nin ısı bozulma performansını iyileştirmek için dikkatli tasarlanması gerekiyor.

Bu yüksek voltaj ve sıcak dağıtım sorunu çözmek için kullanılan bir güç amplifikatörünün (PA) referans örneğini Qorvo QPD1013 ile tasarlanmıştır. Bu yüksek güç, geniş bandwidth yüksek elektron mobilitet tranzistörü (HEMT). Aygıt, sanayi standartlarını 7.2mm*6.6mm yüzey dağıtını kabul ediyor, ikili düzlük hayvansız (DFN) paketi. Gelişmiş cermet paketi ile karşılaştığında, daha basit PCB toplantısını anlayabilir.

QPD1013 Qorvo'nun 0,5μm GaN/SiC teknolojisini kullanır ve 65V'de çalışabilir. PA, DC'den 2.7GHz'e kadar çok uygulama senaryosu için daha yüksek etkileşimlilik ve genişliğini sağlar, askeri radar, toprak mobili veya askeri radyo iletişimleri dahil. Örneğin PA'nin çalışma frekansları grubun 1.2 ile 1.8 GHz'e kaplıyor. Radyo frekanslarının çıkış gücü 160W'i sağlayabilir ve etkileşimliliğin %55'i gösteriyor. PA'nin etkileyici etkileyici olmasına rağmen, güç dağıtımı hâlâ 100W'den fazlasıyla etkileyici ısı dağıtım çözümlerinin ihtiyacını belirtti.

Sıcak patlama performansını iyileştirmek için, referans tasarımı PA'nin "bakar monet" teknolojisini kullanır. Bakar makineler, üretim sürecinde PCB'de yatırılmış sert bakar çarşafları veya stripleri, transistordan PCB taşıyıcısına etkileşimli ısı aktarması sağlayacak. Bakarla doldurma teknolojisi çok yaygın ve en ekonomik, bakar makine teknolojisi daha iyi ısı aktarma performansını sağlayabilir.

Görüntü 6'da gösterildiği gibi, bakar makinelerin tasarımda düşünülmesi gereken RF'nin etkisine biraz etkisi var. Bakar parası sıcak direnişini geliştirirse bile, PCB yüzeyinin düz olmasını sağlamak için ilgilenmelidir ve bakar parası ve DFN toprak patlaması arasında iyi bir bağlantı olduğunu sağlamak için. Her hava boşluğu ya da sol boşluğu bakra parayı yönteminin içindeki avantajlarını zayıflatır.