氮化鎵（GaN）與其他半導體技術以及行波管相比具有許多優勢，可滿足各種RF應用中的放大需求。這些優勢是行業采用其成倍增長的原因。

根據Strategy Analytics的市場研究，從75年到2007年，國防部門的RF GaN收入增長了2019×推動了國防理念和戰場戰略的變化。i Strategy Analytics預計雷達市場將成為RF GaN最大的終端設備細分市場，大量消費各種設備，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。

雷達的應用范圍很廣，分別包括用于空中交通管制和汽車自動駕駛的固定和移動地面系統;用于監視、火控和天氣監測的機載系統;以及用于導航、跟蹤和監視的海軍系統。

性能參數因應用而異，雷達系統可能需要在從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頻率范圍，可用于海上導航和多模有源電子掃描陣列 （AESA） 系統。AESA 雷達控制數千個發射和接收鏈，無需物理移動天線即可控制掃描/跟蹤波束，并實現比傳統架構更高的性能和可靠性。

氮化鎵的優勢

GaN市場機會由雷達應用的以下趨勢推動：

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

通過更高的輸出功率提高保真度，以滿足對更好的目標檢測和可靠性的需求

提高效率，有助于減小系統尺寸并簡化整體系統預算

更寬的工作頻率，可降低檢測敏感性

碳化硅氮化鎵能夠從小型輕量級器件提供高輸出功率。GaN的高擊穿場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冷卻系統散發的熱量更少。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。

狼速優勢

為了滿足上述趨勢，Wolfspeed 提供了廣泛的產品組合，以涵蓋整個衛星通信和 X 波段雷達應用范圍，圖 2 中顯示了四個最新推出的產品示例。

Wolfspeed 采用其 G28V5 高性能 28V 代工工藝，該工藝既針對高頻應用，也針對低頻操作，以滿足最高效率或寬帶寬要求。該工藝可以使用0.15 μm的小柵極長度，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基氮化鎵的尺寸優勢。器件采用 QFN 封裝，尺寸小至 5 × mm。

圖 2：Wolfspeed 的產品組合滿足衛星通信和雷達對金屬陶瓷以及更小的包覆成型封裝的要求。

來自高功率密度的熱量

目標X波段應用通常必須提供多模功能，在連續波（CW）和短脈沖條件下工作。國防部門對小尺寸的額外需求加劇了熱管理挑戰。

盡管G28V5工藝可在高頻下實現更高的效率，但仍必須考慮功率密度的增加，并且在PCB設計過程中進行仔細的熱規劃至關重要。

熱對可靠性的影響

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

圖 3：無法直接測量 GaN 通道中的峰值溫度，如上面的紅點所示。

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

然而，Rθjc隨脈沖寬度和占空比而變化，如前所述，當今的X波段雷達應用通常需要多模（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，與占空比無關。

因此，工程師必須仔細使用 Wolfspeed 數據表中的信息來計算 Tj 或通過仿真找到它。

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，不僅設備的熱阻很重要，而且設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。

在功耗、P diss、低于 30 W CW 的應用或需要脈沖 <500μs 和占空比 <20% 的應用中使用 QFN 器件時，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，但過孔的導電環氧樹脂填充有助于提高Rth，并且過孔之間的緊密間距可以支持熱電感和低雜散電感要求。

對于Pdiss高于30 W的應用，例如具有類似CW信號的應用，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，缺點是增加了處理成本和時間。

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信號下進行的Wolfspeed熱仿真顯示，嵌入式硬幣方法可在實際應用中實現可實現的夾具溫度。在這些條件下，通孔陣列需要負夾具溫度才能在外殼背面達到 85°C。

審核編輯：郭婷