氮化鎵（GaN）與其他半導(dǎo)體技術(shù)以及行波管相比具有許多優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足各種RF應(yīng)用中的放大需求。這些優(yōu)勢(shì)是行業(yè)采用其成倍增長(zhǎng)的原因。

根據(jù)Strategy Analytics的市場(chǎng)研究，從75年到2007年，國(guó)防部門(mén)的RF GaN收入增長(zhǎng)了2019×推動(dòng)了國(guó)防理念和戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)略的變化。i Strategy Analytics預(yù)計(jì)雷達(dá)市場(chǎng)將成為RF GaN最大的終端設(shè)備細(xì)分市場(chǎng)，大量消費(fèi)各種設(shè)備，例如碳化硅上的GaN（SiC）高遷移率電子晶體管（HEMT）和MMIC功率放大器。

雷達(dá)的應(yīng)用范圍很廣，分別包括用于空中交通管制和汽車(chē)自動(dòng)駕駛的固定和移動(dòng)地面系統(tǒng);用于監(jiān)視、火控和天氣監(jiān)測(cè)的機(jī)載系統(tǒng);以及用于導(dǎo)航、跟蹤和監(jiān)視的海軍系統(tǒng)。

性能參數(shù)因應(yīng)用而異，雷達(dá)系統(tǒng)可能需要在從L波段以下到Ka波段以上的任何頻率下工作。8.5 至 11 GHz X 頻段正迅速成為主導(dǎo)頻率范圍，可用于海上導(dǎo)航和多模有源電子掃描陣列 （AESA） 系統(tǒng)。AESA 雷達(dá)控制數(shù)千個(gè)發(fā)射和接收鏈，無(wú)需物理移動(dòng)天線(xiàn)即可控制掃描/跟蹤波束，并實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)架構(gòu)更高的性能和可靠性。

氮化鎵的優(yōu)勢(shì)

GaN市場(chǎng)機(jī)會(huì)由雷達(dá)應(yīng)用的以下趨勢(shì)推動(dòng)：

更小的尺寸，以提高便攜性和以更高頻率組合大型陣列的能力

通過(guò)更高的輸出功率提高保真度，以滿(mǎn)足對(duì)更好的目標(biāo)檢測(cè)和可靠性的需求

提高效率，有助于減小系統(tǒng)尺寸并簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)預(yù)算

更寬的工作頻率，可降低檢測(cè)敏感性

碳化硅氮化鎵能夠從小型輕量級(jí)器件提供高輸出功率。GaN的高擊穿場(chǎng)允許更高電壓的操作。氮化鎵功率放大器還消耗較少的電流，這意味著更低的工作能源成本和需要通過(guò)冷卻系統(tǒng)散發(fā)的熱量更少。高功率密度和較低的柵極電容使GaN能夠提供比硅基器件更大的工作帶寬。SiC基氮化鎵還能承受比硅高得多的工作溫度。

狼速優(yōu)勢(shì)

為了滿(mǎn)足上述趨勢(shì)，Wolfspeed 提供了廣泛的產(chǎn)品組合，以涵蓋整個(gè)衛(wèi)星通信和 X 波段雷達(dá)應(yīng)用范圍，圖 2 中顯示了四個(gè)最新推出的產(chǎn)品示例。

Wolfspeed 采用其 G28V5 高性能 28V 代工工藝，該工藝既針對(duì)高頻應(yīng)用，也針對(duì)低頻操作，以滿(mǎn)足最高效率或?qū)拵捯蟆Ｔ摴に嚳梢允褂?.15 μm的小柵極長(zhǎng)度，從而降低柵極電阻和柵極至漏極電容，從而提高增益和效率。第二

該公司已將產(chǎn)品從金屬陶瓷封裝遷移到包覆成型，以更好地利用SiC基氮化鎵的尺寸優(yōu)勢(shì)。器件采用 QFN 封裝，尺寸小至 5 × mm。

圖 2：Wolfspeed 的產(chǎn)品組合滿(mǎn)足衛(wèi)星通信和雷達(dá)對(duì)金屬陶瓷以及更小的包覆成型封裝的要求。

來(lái)自高功率密度的熱量

目標(biāo)X波段應(yīng)用通常必須提供多模功能，在連續(xù)波（CW）和短脈沖條件下工作。國(guó)防部門(mén)對(duì)小尺寸的額外需求加劇了熱管理挑戰(zhàn)。

盡管G28V5工藝可在高頻下實(shí)現(xiàn)更高的效率，但仍必須考慮功率密度的增加，并且在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行仔細(xì)的熱規(guī)劃至關(guān)重要。

熱對(duì)可靠性的影響

器件結(jié)溫Tj直接影響平均故障時(shí)間（MTTF），MTTF是衡量器件可靠性的指標(biāo)。由于 T j 與 MTTF 相關(guān)，因此 Wolfspeed 繪制了其所有過(guò)程的 MTTF 與 Tj 曲線(xiàn)。Wolfspeed 的所有氮化鎵技術(shù)在 10°C 的峰值 Tj 下的平均故障時(shí)間超過(guò) 225 年。

圖 3：無(wú)法直接測(cè)量 GaN 通道中的峰值溫度，如上面的紅點(diǎn)所示。

由于Tj不能直接測(cè)量，因此必須使用間接方法推導(dǎo)（圖3）。紅外顯微鏡首先用于測(cè)量封裝外殼溫度，然后使用有限元分析來(lái)創(chuàng)建精確的通道間溫差。由此，可以計(jì)算出結(jié)殼熱阻Rθjc。

然而，Rθjc隨脈沖寬度和占空比而變化，如前所述，當(dāng)今的X波段雷達(dá)應(yīng)用通常需要多模（短脈沖和CW）操作。Rθjc隨脈沖寬度增加，
并且趨向于固定的CW熱阻值，與占空比無(wú)關(guān)。

因此，工程師必須仔細(xì)使用 Wolfspeed 數(shù)據(jù)表中的信息來(lái)計(jì)算 Tj 或通過(guò)仿真找到它。

QFN 安裝解決方案

與直接安裝在模塊散熱器上的金屬陶瓷封裝相比，QFN MMIC 通常位于多層 PCB 上。因此，不僅設(shè)備的熱阻很重要，而且設(shè)備外殼和散熱器之間的層的熱阻也很重要。

雖然焊料具有低熱阻，Rth，但PCB熱阻可能很高，并且與器件本身的順序相同，導(dǎo)致從基板到器件外殼的顯著上升。因此，夾具溫度需要足夠低，以將外殼溫度保持在允許的范圍內(nèi)。

在功耗、P diss、低于 30 W CW 的應(yīng)用或需要脈沖 <500μs 和占空比 <20% 的應(yīng)用中使用 QFN 器件時(shí)，使用通孔陣列作為熱解決方案可能不僅足夠，而且具有成本效益。

雖然不如銅柱有效，但過(guò)孔的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂填充有助于提高Rth，并且過(guò)孔之間的緊密間距可以支持熱電感和低雜散電感要求。

對(duì)于Pdiss高于30 W的應(yīng)用，例如具有類(lèi)似CW信號(hào)的應(yīng)用，R值較低的解決方案在于使用嵌入式硬幣，通常是銅。硬幣壓入電路板，將熱量從封裝背面帶走。與通孔陣列相比，缺點(diǎn)是增加了處理成本和時(shí)間。

圖 4：QFN 器件通孔陣列和嵌入式硬幣式安裝的 Ansys 3D 模型。

使用如圖3所示的Ansys 4D模型在CW信號(hào)下進(jìn)行的Wolfspeed熱仿真顯示，嵌入式硬幣方法可在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)的夾具溫度。在這些條件下，通孔陣列需要負(fù)夾具溫度才能在外殼背面達(dá)到 85°C。

審核編輯：郭婷