Extremely High-Power GaN Devices

Patrick Hindle，《Microwave Journal》总编

感谢Integra Technologies和Qorvo公司供稿

目前市场上出售的大多数GaN器件的工作电压为28或者50V。28V工作电压的器件更常见，但也有一些制造商可以提供50V工作电压的器件，以用于更高功率的电路。目前50V工作电压是大多数GaN器件在保证长期、可靠的工作性能条件下工艺可以达到的极限。然而，有少数公司一直在为更高功率的应用场景开发具有更高工作电压的GaN器件，并正寻求在这些高功率应用场景下更好的散热解决方案。作者联系了几家公司，得到了他们使用大于65V工作电压器件工作的一些例子，并收到了来自Integra Technologies和Qorvo公司的资料，本文对这些内容进行了总结，并概述了作者在市场上见到的一些散热解决方案。

开发高压GaN以取代真空电子器件

Integra Technologies公司

许多航空航天和防御雷达、卫星通信和工业、科学和医疗（ISM）系统都需要更加可靠、坚固的器件，这些器件的射频输出功率水平在几千瓦。这些系统历来依赖于真空电子设备（VED），例如行波管（TWT），来产生数千瓦的功率。为了解决基于VED的系统日益增加的复杂性和成本，基于半导体的固态功率放大器（SSPA）的使用率已经超过了一些低频和低功耗器件，最初人们利用的半导体是硅LDMOS，后来GaAs也被用于固态功率放大器的制造，现在则大多数使用GaN。然而大功率市场的问题仍然主要通过VED来解决。

在雷达应用中，LDMOS技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小的进展。虽然GaAs技术能够在100GHz以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。为了实现高功率器件，GaAs放大器需要并联多个器件，这样使用多个器件的代价则是效率降低和成本提高。今天的50V GaN/SiC技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性（如图1），但是挑战还不止于此。

图1：高功率放大器技术的性能对比

自2014年以来，Integra Technologies一直在高压（HV）GaN/SiC领域进行研究和开发，以进一步扩展该技术，实现下一代雷达系统所需的数千瓦功率水平。由于系统设计人员在增加雷达复杂性的同时，需要降低生命周期总运营成本，因此推动利用商业制造平台的固态解决方案比以往任何时候都更加迫切。Integra的HV GaN/SiC已经证明，对于功率密度为10W/mm的100V连续波，以及功率密度为20W/mm的150V脉冲，效率可以超过80%。

高压GaN技术

更高电压下的晶体管级操作为高功率射频放大器的设计开辟了新的自由度。该技术可以在更高功率密度和更高阻抗之间进行更好的权衡。这种灵活性使得高达10kW的单端晶体管可以匹配到50Ω负载上，然后通过适当的谐波调谐优化，可在UHF频率下实现80%的效率。Integra已经成功地在L波段、X波段等更高频段上展示了这种性能。

器件在10至20W/mm的高功率密度下工作的挑战之一是将热量从半导体器件的有源区域导出。Integra通过结合Integra热敏专利和HV GaN/SiC外延材料、器件设计和封装解决了这一散热难题。

图2显示了一个50mm HV GaN晶体管，工作频率为100V，所用CW频率为325MHz，功率密度大于10W/mm，效率为77%。该器件采用Integra的热增强技术，可工作在温度为160摄氏度的环境下，寿命为1000万小时。这些器件还可以在150V偏压脉冲条件下工作，以实现在650MHz频率下20W/mm的功率密度或1kW单一器件80%的效率（如图3）。类似的性能在L波段和X波段也已经实现。Integra将继续在下一代HV GaN/SiC技术方面进行创新，旨在进一步提高效率、提高功率水平并扩展工作频率范围。

图2：550W高压GaN/SiC单晶晶体管性能

图3：1.1kW高压GaN/SiC单晶晶体管性能

高压GaN的优点

对于100kW范围内的高功率系统，系统设计人员只能使用VED技术或50V GaN/SiC SSPA。对于固态设计，需要大量功率器件来实现所需的数千瓦目标功率。Integra的HV GaN/SiC能够实现更高的功率。同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。

例如，采用50V、1kW晶体管构建的200kW系统将需要200多个晶体管才能达到目标功率，但这将引起复杂的功率组合和相关的效率损失。利用10kW HV GaN/SiC晶体管，同样的200kW系统只需要大约20个晶体管。显著减少了晶体管数量以及这些器件带来的复杂功率组合，同时保证了更高的效率。这使得雷达系统工程师能够设计出更具竞争力、成本更低的雷达，在其使用寿命内还可降低运营成本。

HV GaN/SiC技术可以利用大规模生产级SiC衬底，而不是更昂贵且供应有限的更独特的衬底材料，如金刚石。HV GaN工艺建立在主流的商用材料和制造平台之上，以降低成本，服务于批量应用（见表1）。

Integra的HV GaN/SiC为VED提供了固态替代途径，其技术利用了主流的商用供应链。通过利用Integra的热增强专利技术，该平台解决了高功率密度操作带来的散热难题，从而开发出了更可靠、更强大的技术，能够满足下一代雷达的需求。

160W GaN PA克服SMT封装的散热难题

Qorvo公司

GaN技术的创新使得器件可以在更高功率、电压和频率下运行——所有这些都是L波段先进雷达和其他宽带通信的关键要素。GaN具有比LDMOS或GaAs更高的功率密度。但是随着射频功率水平的提高，必须优化热性能，以保持半导体的结温度足够低，最大限度地降低功耗并确保较长的晶体管寿命。当晶体管利用表面贴装技术（SMT）实现时，则需要仔细设计PCB以优化散热性能。

用于解决这一高压和散热问题的一款功率放大器（PA）参考实例是采用Qorvo QPD1013设计的，它是一款高功率、宽带宽的高电子迁移率晶体管（HEMT）。该器件采用行业标准7.2mm×6.6mm表面贴装，双扁平无引线（DFN）封装，与传统的金属陶瓷封装相比，可实现更简单的PCB组装，如图4所示。

图4：组装完成的功率放大器。铝板前面的洞允许热电偶直接放置在QPD1013晶体管的下方

QPD1013采用Qorvo的0.5μm GaN/SiC技术，可在65V电压下工作。该PA提供了更高的效率和更宽的带宽，适用于DC至2.7GHz的许多应用场景，包括军用雷达、陆地移动或军用无线电通信。示例PA的工作频带覆盖1.2到1.8GHz，可提供160W的射频输出功率，效率约为55%，如图5所示。虽然PA的效率令人印象深刻，但耗散功率仍然超过100W，更加凸显了对有效散热解决方案的需求。

图5：典型的输出功率（a）和效率（b），其中包括输出匹配网络和连接器的损耗

为了优化散热性能，参考设计PA利用“铜币”技术。铜币是在制造过程中嵌入PCB的实心铜片或嵌条，以允许从晶体管到PCB载体之间有高效的热量传递。尽管使用铜填充过孔的技术非常常见，且最经济，但是铜币技术可以提供更好的热传递性能。

如图6所示，铜币对放大器的射频性能有微小影响，这一点必须在设计中予以考虑。尽管铜币使得热阻抗有所改进，但仍需小心确保PCB的表面平整且要保证铜币与DFN接地焊盘之间具有良好的接触。任何空气缝隙或焊料空隙都会减弱铜币方法的固有优势。

图6：利用铜过孔和铜币技术实现QPD1013的S参数对比

与所有功率晶体管一样，精心的热设计对于可靠的运行来说至关重要。在QPD1013中，与铜填充的PCB相比，铜币PCB可以使工作温度降低10摄氏度。根据热效率设计的PA的高功率和宽带宽，有助于提高军用和商用雷达、陆地移动和军用无线电通信、有源天线、测试仪器、宽带和窄带放大器和干扰机的优势。

改进的散热解决方案

高压运行和高效率的关键之一是将热量从器件中导出，以保证结温度在可靠运行能接受的范围内。许多制造商采用的一种方法是在金刚石上生长GaN，因为相比于其他材料它具有最高的导热率，其他方法则是追求更好的热沉或液体冷却方法。

TriQuint（现Qorvo）于2013年4月宣布了首个利用金刚石晶圆上生长GaN工艺生产的HEMT产品，该产品是与布里斯托大学Group 4实验室以及洛克希德马丁公司合作完成的，属于美国国防高级研究计划局（DARPA）的近结热传递（NJTT）项目。NJTT利用各种冷却技术，主要研究晶体管结附近的器件热阻。这一工作的结果显示，这样的晶体管散热效果提高了三倍，同时还保留了原本的射频性能。

雷神公司也在相同的DARPA项目中开展了工作，并开发出一种方法在金刚石衬底上刻蚀冷却通道，并将其连接到晶圆上，这样避免了在金刚石衬底上生长GaN带来的制造问题并增加了液体冷却途径。他们使用乙二醇/水冷却剂流过有源HEMT区域100微米范围内的通道。最终雷神公司展示了一种连续波（CW）放大器，其输出功率倍数为3.1倍，是目前设计用于下一代电子战（EW）系统的基准放大器功率密度的4.8倍。

最近，富士通公司和富士通实验室宣布他们首次开发出在室温下将单晶金刚石生长在SiC衬底上的技术。这一技术克服了之前在超高温情况下生长GaN和金刚石时遇到的最大挑战之一，即由于热膨胀系数（CTE）的不匹配导致的晶圆弯曲。该技术承诺GaN PA应用于气象雷达等系统时，可以以约1.5倍的更高功率运行。

RFHIC从Element Six收购了在金刚石上生长GaN的技术，并在2017年的通告中宣布“RFHIC将与Element Six和加工合作伙伴紧密合作，在可预见的未来每年生产10000个6英寸的生长了GaN的金刚石晶圆”。该技术推出的时间比他们预期的要长一些，但似乎很快就可以生产出样品。

JETCOOL Technologies在波士顿的IMS2019上推出了一种新的冷却高功率电子产品的方法，赢得了麻省理工学院在新一届Startup Pavilion上名为“Next Top Startup”的衍生项目。该公司尝试利用微对流冷却改变电子设备的冷却方式，微对流冷却利用可以放置在电子设备中的小型流体喷嘴。根据该公司的结果，该方法比其他冷却方法的效果好10倍，如图7所示。该公司首席执行官Bernie Malouin在新闻稿中表示，该技术可以将散热器构建在硅基上，将冷却系统集成到处理器芯片和其他设备中。

图7：各种冷却技术的热性能对比（来自JETCOOL网站）

该公司正在申请微喷射冷却工艺的专利，微喷射冷却工艺使用小流量高速流体来冷却设备。不像典型的散热器或冷却板那样使用流体流过表面，微喷射直接瞄准器件表面。微喷射表现出的高流量特性可有效冷却芯片的底部，提供了比以前更好的冷却效果。他们的解决方案可以实现冷却而无需大型金属散热器，没有了金属的系统变得更小、更轻了。

JETCOOL在其博客文章中特别讨论了GaN/SiC器件，指出GaN器件在高达225摄氏度下的导热率大约为在参考温度25摄氏度下的50%。随着下面的SiC层温度升高，其导热率也会降低。“这将变成一个级联效应，较低的导热率意味着较高的温度，高温又将进一步降低导热率，直到达到平衡状态。因此，如果材料的特性会随着温度变化，那么由于不恰当的高导热率，最终计算出的峰值温度将被人为地降低。”

GaN器件的性能每年都在不断提高，我们还没有接近其性能的上限，因为制造商发现了更好的外延工艺、晶体管配置和封装解决方案来改善散热问题。