Tin tức về PCB - Thiết bị GaN công suất cực cao

Hầu hết các thiết bị GaN trên thị trường hiện nay đều có điện áp hoạt động 28 hoặc 50V. Các thiết bị điện áp làm việc 28V phổ biến hơn, nhưng có một số nhà sản xuất có thể cung cấp các thiết bị điện áp làm việc 50V cho các mạch công suất cao hơn. Hiện tại, điện áp hoạt động 50V là giới hạn mà hầu hết các thiết bị GaN có thể đạt được với hiệu suất hoạt động lâu dài và đáng tin cậy. Tuy nhiên, một số công ty đã phát triển các thiết bị GaN với điện áp hoạt động cao hơn cho các kịch bản ứng dụng công suất cao và tìm kiếm các giải pháp tản nhiệt tốt hơn trong các kịch bản ứng dụng công suất cao này. Các tác giả đã liên hệ với một số công ty để có được một số ví dụ về việc họ sử dụng các thiết bị có điện áp hoạt động lớn hơn 65V và thông tin từ Integra Technologies và Qorvo. Bài viết này tóm tắt những điều này và phác thảo một số giải pháp làm mát mà các tác giả thấy trên thị trường. Phát triển gallium nitride áp suất cao để thay thế thiết bị điện tử chân không Nhiều radar hàng không vũ trụ và quốc phòng, truyền thông vệ tinh và các hệ thống công nghiệp, khoa học và y tế PCB (ISM) đòi hỏi thiết bị đáng tin cậy và mạnh mẽ hơn với công suất đầu ra RF vài nghìn watt. Các hệ thống này trong lịch sử đã dựa vào các thiết bị điện tử chân không (VED) như ống sóng đi bộ (TWT) để tạo ra kilowatt điện. Để giải quyết sự phức tạp ngày càng tăng và chi phí gia tăng của các hệ thống dựa trên VED, việc sử dụng bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn (SSPA) dựa trên chất bán dẫn đã vượt qua một số thiết bị tần số thấp và công suất thấp. Ban đầu, chất bán dẫn được sử dụng là silicon LDMOS. Sau đó, gallium arsenide cũng được sử dụng. Đối với việc sản xuất bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn, hầu hết trong số họ hiện đang sử dụng GaN. Tuy nhiên, các vấn đề của thị trường năng lượng lớn vẫn chủ yếu được giải quyết bởi VED. Trong các ứng dụng radar, công nghệ LDMOS đã đạt được rất ít tiến bộ trong công suất RF cao do giới hạn tần số thấp của nó. Mặc dù công nghệ gallium arsenide có thể hoạt động trên 100 GHz, độ dẫn nhiệt thấp và điện áp hoạt động của nó hạn chế mức công suất đầu ra của nó. Để đạt được các thiết bị công suất cao, bộ khuếch đại GaAs yêu cầu nhiều thiết bị song song, do đó chi phí sử dụng nhiều thiết bị làm giảm hiệu quả và tăng chi phí. Công nghệ GaN/SiC 50V ngày nay có thể cung cấp hàng trăm watt công suất đầu ra ở tần số cao và có thể cung cấp độ bền và độ tin cậy cần thiết cho một hệ thống radar, nhưng thách thức không dừng lại ở đó.

Từ năm 2014, Integra Technologies đã tiến hành nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực GaN/SiC áp suất cao (HV) để mở rộng hơn nữa công nghệ để đạt được mức công suất kilowatt cần thiết cho hệ thống radar thế hệ tiếp theo. Vì các nhà thiết kế hệ thống cần giảm tổng chi phí vận hành vòng đời trong khi tăng độ phức tạp của radar, việc sử dụng các nền tảng sản xuất thương mại để thúc đẩy các giải pháp trạng thái rắn là cấp bách hơn bao giờ hết. HV GaN/SiC của Integra đã chứng minh rằng hiệu suất có thể vượt quá 80% đối với sóng liên tục 100V với mật độ công suất 10W/mm và xung 150V với mật độ công suất 20W/mm.

Công nghệ GaN điện áp cao Hoạt động cấp transistor ở điện áp cao hơn mở ra một mức độ tự do mới cho việc thiết kế bộ khuếch đại RF công suất cao. Kỹ thuật này cho phép đánh đổi tốt hơn giữa mật độ năng lượng cao hơn và trở kháng cao hơn. Tính linh hoạt này cho phép các bóng bán dẫn một đầu lên đến 10kW phù hợp với tải đảo 50 và sau đó được tối ưu hóa với điều chỉnh hài hòa thích hợp để đạt được hiệu quả 80% ở tần số UHF. Integra đã chứng minh thành công hiệu suất này trên các băng tần cao hơn như băng tần L và X.

Một trong những thách thức đối với các thiết bị hoạt động ở mật độ công suất cao từ 10 đến 20W/mm là dẫn nhiệt ra khỏi vùng hoạt động của thiết bị bán dẫn. Integra giải quyết vấn đề tản nhiệt này bằng cách kết hợp bằng sáng chế nhiệt của Integra với vật liệu mở rộng HV GaN/SiC, thiết kế thiết bị và bao bì. Đối với các hệ thống công suất cao trong phạm vi 100kW, các nhà thiết kế hệ thống chỉ có thể sử dụng công nghệ VED hoặc SSPA 50V GaN/SiC. Đối với thiết kế trạng thái rắn, một số lượng lớn các thiết bị công suất là cần thiết để đạt được công suất mục tiêu mong muốn vài kilowatt. HV GaN/SiC của Integra có thể đạt được công suất cao hơn. Đồng thời, số lượng transistor công suất RF, độ phức tạp của hệ thống và tổng chi phí có thể được giảm đáng kể.

Ví dụ, một hệ thống 200kW được xây dựng với các bóng bán dẫn 50V, 1kW cần hơn 200 bóng bán dẫn để đạt được công suất mục tiêu, nhưng điều này sẽ dẫn đến sự kết hợp công suất phức tạp và mất hiệu quả liên quan. Với các transistor GaN/SiC áp suất cao 10kW, hệ thống 200kW tương tự chỉ cần khoảng 20 transistor. Giảm đáng kể số lượng bóng bán dẫn và sự kết hợp năng lượng phức tạp mà các thiết bị này mang lại, đồng thời đảm bảo hiệu quả cao hơn. Điều này cho phép các kỹ sư hệ thống radar thiết kế các radar cạnh tranh hơn và ít tốn kém hơn, điều này cũng có thể giảm chi phí vận hành trong suốt vòng đời của chúng.

Công nghệ HV GaN/SiC có thể tận dụng lớp lót SiC sản xuất hàng loạt thay vì các vật liệu lót độc đáo hơn, chẳng hạn như kim cương, đắt hơn và có nguồn cung hạn chế. Quá trình HV GaN được xây dựng trên các vật liệu thương mại chính thống và nền tảng sản xuất để giảm chi phí.

HV GaN/SiC của Integra cung cấp một giải pháp thay thế trạng thái rắn cho VED với công nghệ tận dụng chuỗi cung ứng thương mại chính thống. Bằng cách sử dụng công nghệ tăng cường nhiệt được cấp bằng sáng chế của Integra, nền tảng này giải quyết các vấn đề tản nhiệt gây ra bởi hoạt động mật độ công suất cao, do đó phát ra một công nghệ đáng tin cậy và mạnh mẽ hơn có thể đáp ứng nhu cầu của radar thế hệ tiếp theo. 160W GaN PA khắc phục các vấn đề tản nhiệt trong gói SMT. Những đổi mới trong công nghệ GaN cho phép thiết bị hoạt động ở công suất, điện áp và tần số cao hơn, tất cả đều là các yếu tố quan trọng của radar tiên tiến băng tần L và truyền thông băng thông rộng khác. GaN có mật độ năng lượng cao hơn LDMOS hoặc GaAs. Tuy nhiên, khi mức công suất RF tăng lên, hiệu suất nhiệt phải được tối ưu hóa để giữ cho nhiệt độ tiếp xúc của chất bán dẫn đủ thấp để giảm thiểu tiêu thụ điện năng và đảm bảo tuổi thọ lâu dài của bóng bán dẫn. Khi sử dụng công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) để đạt được bóng bán dẫn, PCB cần được thiết kế cẩn thận để tối ưu hóa hiệu suất tản nhiệt.

Ví dụ tham khảo về bộ khuếch đại công suất (PA) được sử dụng để giải quyết vấn đề tản nhiệt và điện áp cao này được thiết kế với Qorvo QPD1013, một transistor di chuyển điện tử cao (HEMT) với công suất cao, băng thông rộng. Thiết bị được gắn trên bề mặt 7.2mm * 6.6mm theo tiêu chuẩn công nghiệp với gói không dây dẫn (DFN) hai mặt phẳng. Nó cho phép lắp ráp PCB đơn giản hơn so với gói gốm kim loại truyền thống.

QPD1013 sử dụng công nghệ GaN/SiC 0,5μm của Qorvo và có thể hoạt động ở 65V. PA cung cấp hiệu quả cao hơn và băng thông rộng hơn cho nhiều tình huống ứng dụng từ DC đến 2,7 GHz, bao gồm radar quân sự, di động trên bộ hoặc liên lạc vô tuyến quân sự. Ví dụ PA có băng tần hoạt động bao gồm 1,2 đến 1,8 GHz và có thể cung cấp công suất đầu ra RF 160W với hiệu suất khoảng 55%, như thể hiện trong Hình 5. Mặc dù hiệu quả ấn tượng của PA, mức tiêu thụ điện năng vượt quá 100W, nhấn mạnh nhu cầu về một giải pháp tản nhiệt hiệu quả.

Để tối ưu hóa hiệu suất tản nhiệt, Reference Design PA sử dụng công nghệ "đồng tiền". Đồng tiền là một miếng đồng rắn hoặc băng đồng được nhúng trong PCB trong quá trình sản xuất để cho phép truyền nhiệt hiệu quả từ bóng bán dẫn đến chất mang PCB. Mặc dù kỹ thuật lấp đầy lỗ bằng đồng là rất phổ biến và kinh tế nhất, công nghệ đồng tiền có thể cung cấp hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn.

Như thể hiện trong hình 6, đồng tiền có ảnh hưởng nhỏ đến hiệu suất tần số vô tuyến của bộ khuếch đại và điều này phải được xem xét khi thiết kế. Mặc dù đồng tiền làm tăng sức đề kháng nhiệt, cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng bề mặt của PCB bằng phẳng và có sự tiếp xúc tốt giữa đồng tiền và mặt đất DFN pad. Bất kỳ khoảng trống không khí hoặc khoảng trống hàn nào cũng có thể làm suy yếu lợi thế vốn có của phương pháp tiền đồng.