PCB新聞 - 超高功率GaN器件

most的工作電壓 GaN器件 現時市場上的電壓為28或50V. 28V工作電壓裝置更常見, 但也有一些製造商可以為高功率電路提供50V工作電壓設備. 現時, 50V工作電壓是大多數 GaN器件 在保證長期可靠工作效能的情况下可達到. 然而, 一些公司一直在發展 GaN器件 具有更高的工作電壓，適用於更高功率的應用場景, 並在這些高功率應用場景中尋求更好的散熱解決方案. 作者聯系了幾家公司，獲得了他們使用工作電壓大於65V的設備的一些例子, 並從Integra Technologies和Qorvo獲得資訊. 本文總結了這些內容，並概述了作者在市場上看到的一些冷卻解決方案.
Develop high-voltage GaN to replace vacuum electronics
Many aerospace and defense radars, 衛星通信, 和工業, 印刷電路板科學與醫學(ISM) systems require more reliable and rugged devices, 射頻輸出功率水准為幾千瓦. These systems have historically relied on vacuum electronics (VED), such as traveling wave tubes (TWT), 發電千瓦. 為了解决基於VED的系統日益新增的複雜性和成本, 這個 utilization rate of semiconductor-based solid-state power amplifiers (SSPA) has surpassed some low-frequency and low-power devices. 一開始, 使用的電晶體是矽LDMOS. 後來, 還使用了砷化鎵. 用於製造固態功率放大器, 他們中的大多數現在使用GaN. 然而, 大功率市場的問題仍然主要由VED解决.
在雷達應用中, LDMOS科技 由於其低頻限制，在高射頻功率方面進展甚微. 雖然砷化鎵科技可以在100GHz以上工作, 其低導熱係數和工作電壓限制了其輸出功率水准. 為了實現大功率器件, 砷化鎵放大器需要並聯連接多個器件, 囙此，使用多個設備的成本降低了效率並新增了成本. 今天的50V GaN/SiC科技可以在高頻下提供數百瓦的輸出功率, 能够提供雷達系統所需的魯棒性和可靠性, 但挑戰不止於此.

自2014年以來，Integra Technologies一直在高壓（HV）GaN/SiC領域進行研發，以進一步擴展該科技，以達到下一代雷達系統所需的多千瓦功率水准。 由於系統設計師需要降低整個生命週期的運營成本，同時新增雷達的複雜性，囙此比以往任何時候都更迫切需要推廣使用商業製造平臺的固態解決方案。 Integra的HV GaN/SiC已經證明，對於功率密度為10W/mm的100V連續波和功率密度為20W/mm的150V脈衝，效率可以超過80%。

High-voltage GaN technology
Transistor-level operation at higher voltages opens up new degrees of freedom for the design of high-power RF amplifiers. 這項科技可以在更高的功率密度和更高的阻抗之間進行更好的權衡. 這種靈活性允許高達10kW的單端電晶體與50Ω負載相匹配, 然後通過適當的諧波調諧優化, 在UHF頻率下可實現80%的效率. Integra已在更高的頻段（如L頻段和X頻段）上成功證明了這種效能.

在10至20 W的高功率密度下運行的設備面臨的挑戰之一/mm將熱量從半導體器件的活動區域傳導出去. Integra通過結合Integra的熱專利和HV GaN解决了這一散熱問題/SiC外延資料, 設備設計和包裝.
Advantages of high-voltage GaN
For high-power systems in the 100kW range, 系統設計者只能使用VED科技或50V GaN/SiC SSPA. 對於固態設計, 為了達到幾千瓦的目標功率，需要大量的功率設備. Integra高壓GaN/SiC可以獲得更高的功率. 同時, 射頻功率電晶體的數量, 可以顯著降低系統複雜性和總成本.

例如，使用50V、1kW電晶體構建的200kW系統需要200多個電晶體才能達到目標功率，但這將導致複雜的功率組合和相關的效率損失。 對於10kW高壓GaN/SiC電晶體，同樣的200kW系統只需要大約20個電晶體。 顯著减少電晶體數量和這些設備帶來的複雜功率組合，同時確保更高的效率。 這使得雷達系統工程師能够設計出更具競爭力和更低成本的雷達，這也可以降低其使用壽命期間的運營成本。

HV-GaN/SiC科技可以利用大規模生產級SiC基板，而不是更昂貴且供應有限的更獨特的基板資料，如金剛石。 HV-GaN工藝建立在主流商業資料和製造平臺上，以降低成本。

Integra高壓GaN/SiC是VED的固態替代品, 其科技利用了主流商業供應鏈. 使用Integra的專利熱增强科技, 該平臺解决了高功率密度運行引起的散熱問題, 從而開發出更可靠、功能更强大的科技，滿足下一代雷達的需求.
160W GaN PA overcomes the heat dissipation problem of SMT packaging
Innovations in GaN technology allow devices to operate at higher powers, 電壓和頻率都是L波段先進雷達和其他寬帶通信的關鍵要素. GaN比LDMOS或GaAs具有更高的功率密度. 然而, 隨著射頻功率水准的新增, 必須優化熱效能，以保持電晶體的結溫度足够低，從而最大限度地降低功耗，並確保電晶體的長壽命. When transistors are implemented using surface mount technology (SMT), the 印刷電路板 需要仔細設計以優化散熱效能.

使用Qorvo QPD1013設計了用於解决此高壓和散熱問題的功率放大器（PA）的參攷示例，Qorvo QPD1013是一種高功率、寬帶高電子遷移率電晶體（HEMT）。 該器件採用行業標準的7.2mm×6.6mm表面貼裝、雙平面無鉛（DFN）封裝。 與傳統的金屬陶瓷封裝相比，它可以實現更簡單的印刷電路板組裝。

QPD1013使用Qorvo的0.5mm GaN/SiC科技，可在65V下工作. PA提供更高的效率和更寬的頻寬, 適用於從DC到2的許多應用場景.7GHz, 包括軍用雷達, 陸地移動或軍用無線電通信. 示例PA的工作頻帶包括1.2到1.8千兆赫, 可提供160W射頻輸出功率, 效率約為55%, 如圖5所示. 雖然PA的效率令人印象深刻, 功耗仍超過100W, 強調需要有效的散熱解決方案.

為了優化散熱效能, 參攷設計PA採用“銅幣”科技. 銅幣是嵌在硬幣上的實心銅片或銅帶 印刷電路板 在製造過程中，允許從電晶體到 印刷電路板載體. 雖然用銅填充過孔的科技非常常見，而且最經濟, 銅幣科技可以提供更好的傳熱效能.

如圖6所示, 銅幣對放大器的射頻效能有輕微影響, 設計中必須考慮. 雖然銅幣可以提高熱阻, 必須小心確保 印刷電路板 是平坦的，銅幣和DFN接地墊之間接觸良好. 任何氣隙或焊料空隙都會削弱銅幣法的固有優勢.