Using Off-Chip Passive Components to Maximize GaN Performance & Reduce Cost

Ron Demcko and Daniel West, AVX Corporation, Greenville, S.C.

（12月9-10日在深圳举办的电子设计创新大会也将有氮化镓的议题，点此了解）

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与硅技术相比，GaN半导体降低了材料电容，提高了电子迁移率，从而使传导损耗明显降低，开关时间大大加快，频率-温度和频率-电压特性更高。众多实验室的测试一致表明，GaN的很多性能优于其竞争技术，这加速了GaN功率器件在众多应用中的部署。现在，全世界的工程师都在利用这些紧凑、损耗低和开关快速的半导体来开发更小、更轻、更可靠的系统，以扩展固态射频电源设计的能力。

伴随着GaN的诸多优点，新的电路设计也面临着一系列的挑战。例如，GaN器件输出端的无源器件会降低有源器件的输出功率。即使无源器件没有引入过多的损耗，它们也会降低GaN以最高性能运行的能力。其中一些设计挑战可以通过使用高性能的无源器件来克服，如高级电容器和表面贴装技术（SMT）热管。

本文讨论了几种高性能的无源器件技术，它们与GaN搭配良好，可提供阻抗匹配、偏置滤波、直流阻断和热控制，帮助GaN功率器件以最佳方式运行。

单层电容器和阻抗匹配

单层电容器（SLC）可在40GHz以下提供良好的性能，可用于内部和外部配置——例如，作为阻抗匹配网络的一部分，在最大化GaN功率放大器的功率传输方面发挥着不可或缺的作用。当放置在器件封装内时，SLC可以成为晶体管的引线框架和栅极之间的匹配网络的元件，帮助在器件的输入端提供宽带阻抗匹配。在封装外使用时，SLC可用于阻抗匹配、直流阻断和宽带旁路。SLC可以配置为单、双或多SLC阵列，以尽量减少器件数量。

SLC的大部分电气特性是由陶瓷介质决定的。两种最常见的电介质是二氧化硅和C0G（NP0）EIA I级温度补偿陶瓷。两者都有很高的温度稳定性（0±30ppm/℃），非常适合于温度高和热稳定性要求高的阻抗匹配。一种新型的电介质，GBBL（grain boundary barrier layer）材料，表现出值得关注的性能，在需要块状电容器的情况下，可代替通用的Z5U和Y5V陶瓷电介质。与Z5U和Y5V电介质相比，典型的GBBL电介质表现出X7S的温度特性，具有更好的温度稳定性（图1）。

图1 Z5U、Y5V和X7S电介质的温度稳定性。GBBL材料具有X7S的温度特性。

图2 有边框（a）和无边框（b）的SLC。多余的导电环氧树脂会爬上无边框SLC的侧壁，导致短路。资料来源：TJ Green Associates, LLC.¹

SLC端面通常由溅射的TiW/Au或TiW/Ni/Au组成。这种溅射材料的组合产生了薄而高质量的端接表面，具有良好的粘附性，这对于导电环氧树脂附着和导线丝焊（wire bond）至关重要，特别是对于需要重度温度循环的高功率射频器件。端面可以是有边框的，即金属化不延伸到电容器边缘，也可以是无边框的，即延伸到电容器边缘（图2）。有边框的SLC最大限度地减少了导电环氧树脂爬上侧壁触及顶板和造成电容器短路的机会。理想情况下，环氧树脂应该流到SLC侧面的一半，但既然MIL-SPEC没有特别规定模具边缘的导电环氧树脂高度，就可以使用有边框的SLC避免环氧树脂溢出产生负面结果。¹ 无边框的SLC通常用于源旁路配置，因为它们减少了顶部端面和有源器件之间的连接长度。

图3 栅极（a）和漏极（b）偏置滤波器组。资料来源：Qorvo。²

用于偏压滤波的块状电容器

GaN功率器件需要一个稳定的偏置电压以达到最佳的操作。由于块状电容器组随电压和温度的变化是稳定的，并具有良好的老化特性，因此它们经常被用来过滤偏置线噪音，并提供快速充电源，为功率放大器提供高度变化的电流（Δi/Δt）（图3）。这些滤波电容组的瞬时响应是由高电容和高频率响应的组合决定的。适用于电压偏置组的块状电容器包括高CV多层陶瓷电容器（MLCC）和钽、钽聚合物、铝和铝聚合物电解电容器（图4）。

图4 钽聚合物（a）、高CV MLCC（b）和铝电解（c）电容器的电容稳定性、直流偏压和温度性能。

图5 钽电容器的封装选项。

虽然高CV MLCC可以达到许多偏置网络所需的电容范围，但在不同的工作条件下，如温度、时间和直流偏置，它们不能提供稳定的电容值。³ 例如，一个100μF的X5R MLCC电容可以从25℃的100μF变化到-55℃的约85μF和125℃的80μF。高电压的MLCC也会受到直流偏置电压的影响，会大大降低电路中存在的电容值。例如，在完全额定的直流电流下，II类MLCC的电容值会减少35%到65%。此外，低压交流纹波电流可以进一步降低高电压MLCC的电容值，再降低5%，而老化可以使电容值每十年再降低2%至5%。根据工作条件和所选择的MLCC，所有这些损失加上温度系数，可以使高CV MLCC的总预期电容减少约80%。

其余适用于偏压滤波的块状电容器选项包括传统的和聚合物的钽和铝电解电容器。虽然本文重点介绍用于偏压滤波的钽电容，但铝电容的技术和性能也在不断提高。与传统的铝电解电容器相比，钽电容器在尺寸、重量和稳定性方面具有优势。例如，钽电容器的平均电容为0.6μF/mm³，而微型铝电解电容器的平均电容则为0.1μF/mm³。钽聚合物电容器的等效串联电阻约为传统钽电容器的八分之一，这意味着其电流容量约为传统钽电容器的8倍。钽聚合物电容器技术的进步也将微型SMT电容器的额定电压扩展到125V。传统的钽电容器需要50%的降额，而额定电压高达16V的钽聚合物电容器，对于聚合物衬底器件只需要10%的降额，对于额定电压大于16V的器件则需要20%的降额。

钽和钽聚合物电容器有多种外壳尺寸，相对于铝电解电容器而言，其高度有所降低，并且采用新型引线框架封装，其电感量大大低于铝电解电容器（表1和图5）。这使得块状电容器的设计更加合适。因此，钽和钽聚合物电容器与铝电解电容器相比具有很强的竞争力，尽管它们有降额，但很适合用于GaN功率放大器。

独特的电容器和直流阻断

GaN功率放大器对无源器件的另一个要求是直流阻断。在较高频率和较宽带宽下工作的电路的直流阻断需要稳定的、低损耗的电容器，并且可以很容易地配置到电路中。有三种独特的电容技术值得考虑：超宽带电容（UBC）、金属-绝缘体-金属（MIM）电容和金属氧化物半导体（MOS）电容（图6）。虽然还有其他选择，但这三种类型已被证明对直流阻断是实用的。

UBC——UBC具有多层陶瓷介质的外形尺寸，与标准的印刷电路板制造兼容，包括全自动的高速拾放。它们有0201和0402两种封装尺寸，分别与传输线相匹配，额定值为10和100nF，从16kHz到约70GHz，它们具有超低的插入损耗、平坦的频率响应以及出色的回损（图7）。UBC是GaN功率放大器的直流阻断、直流耦合、旁路和反馈电路的最佳无源器件。

MIM电容器——MIM电容器体积小、损耗低，可用于补偿导线丝焊附着物的电感效应，因此可用于高频发射和接收电路的直流阻断。MIM电容器使用石英、氧化铝或玻璃基材，以尽可能减少损耗，并有一个传输线焊盘，背面接地，以改善频率性能和减少损耗。铜线最大限度地提高了导电性，正面和背面的金属化金（gold metallization）与环氧树脂、金线或带状线兼容。它们具有60ppm/℃的温度稳定性，电容值从0.3到15pF，工作电压高达100V。可以定制，使用50至100pF/mm²的电容面积比。

MOS电容器——MOS电容器是使用SiO₂电介质的SLC，是具有高Q值、高击穿电压和低漏电的小型、温度稳定的电容器。MOS电容器采用标准或定制的铜端面，可薄至127μm，可集成到2.5D和3D多芯片模块中，实现更高的频率和更低的功率——有可能消除与电容器的导线丝焊，以减少串联电感并改善频率响应。其他端面选项包括顶部的金属化金或铝、底部非金属化硅（no metallization silicon）、裸硅上的金或铬金。标准的MOS电容器与环氧树脂和焊料附着以及金或铝丝焊兼容。标准尺寸和电容值分别为0.010至0.070in.²和1.0至1,000pF。

图6 UBC（a）、MIM（b）和MOS（c）电容器。

图7 550L系列UBC的典型|S₂₁|（a）和|S₁₁|（b）。

SMT热管

图8 没有热管的100W GaN PA MMIC的红外热扫描（a）与使用三根热管的PA（b）相比。Q-Bridge SMT热管（c）。

GaN功率器件的一个标志性优势是它们能够在一个小封装中提供高功率。这可能会在小范围内产生大量的热量，需要热控制方法来消除、分散和耦合有源器件的热量，以获得最高的性能并确保可靠性。

GaN的热挑战可以从微型SMT热管等新型解决方案中受益。⁴ 微型SMT热管是一种高效益的解决方案，可以从有源器件的引脚提供额外的热流。与传统热管不同，SMT热管在减少寄生电容、提高绝缘电阻和高击穿电压的情况下提供高热导率。SMT热管的小尺寸支持减少尺寸、重量和功耗（SWaP）的要求。虽然性能取决于外壳尺寸，但标准0402、0603和0805 EIA尺寸的典型寄生电容仅为0.04至0.13pF，典型的热导率为40至大于500mW/°C。

微型SMT热管有多种端面可供选择：Sn/Ni/Pt、Ag/Pt和非磁性Ag。定制的SMT热管已被用来优化MMIC周围的热流，其他大功率器件已被开发出来，外壳尺寸从0302到3737。

为了说明SMT热管的有效性，AVX工程师对一个额定输出功率为100W的超小型高性能GaN功率放大器MMIC进行了红外（IR）测量。该MMIC在放大器的中心频率下用CW信号运行了20秒，在没有热管和使用三根Q-Bridge SMT热管的情况下测量了温升。使用热管，红外测量显示MMIC的温度在没有任何设计修改的情况下下降了38℃（图8），从没有热管时的大约80℃下降到使用热管的42℃。MMIC和较大的功率放大器组件的设计都没有包括Q-Bridge SMT热管，也就是说，测试是在现有设计下进行的。可以说，如果功率放大器包括SMT热管，就可以更好地散热。

总结

GaN射频功率器件已经通过广泛的实验室测试和产品验证，加快了其在国防和商业应用中的部署，反过来又推动了其价格的下降。为了充分实现GaN的优势，工程师必须将GaN器件与高性能无源器件配合使用。无源器件是阻抗匹配、偏置过滤、直流阻断和热管理的重要电路器件。如果不注意这些无源器件的影响，就可能限制该技术实现全部能力。

新材料的开发，如用于SLC的GBBL陶瓷电介质和用于钽块状电容器的导电聚合物，正使设计者能够减轻这些潜在的限制。新的电容器尺寸和封装样式使更小的布局能够支持SWaP要求并提高电气性能。像SMT热管这样的新器件正在扩展可用的解决方案，以消除、扩散和耦合来自GaN的热量，改善其性能和可靠性。

随着GaN器件技术的不断发展和性能的提高，新的和改进的无源器件技术将被用来支持这些令人印象深刻的紧凑、低损耗和快速开关的半导体，从而产生更小、更轻和更可靠的下一代射频功率放大器。

参考文献

1. T. J. Green, “Microwave Packaging Technology.” TJ Green Associates, LLC Virtual Training Course, June 13–15, 2021, www.tjgreenllc.com/virtual-training/.
2. Qorvo, “Application Note: GaN Bias Circuit Design Guidelines,” October 2019, www.qorvo.com/products/d/da006903.
3. T. Zednicek, “High CV MLCC DC Bias and Ageing Capacitance Loss Explained,” European Passive Components Institute, November 2019, epci.eu/high-cv-mlcc-dc-bias-and-ageing-capacitance-loss-explained.
4. R. Demcko, “The Impact of High Temperature Exposure on Capacitor Reliability and Performance,” AVX SEMI-THERM® Thermal Technologies Workshop, November 2020, semi-therm.org/wp-content/uploads/2020/11/TTW2020-Final-Program-DRAFT-20201103.pdf.