SiC范围内的GaN和热感知简化了X波段雷达设计

氮化镓（GaN）与其他半导体技术以及行波管相比具有许多优势，可满足各种RF应用中的放大需求。这些优势是行业采用其成倍增长的原因。

根据Strategy Analytics的市场研究，从75年到2007年，国防部门的RF GaN收入增长了2019×推动了国防理念和战场战略的变化。i Strategy Analytics预计雷达市场将成为RF GaN最大的终端设备细分市场，大量消费各种设备，例如碳化硅上的GaN（SiC）高迁移率电子晶体管（HEMT）和MMIC功率放大器。

雷达的应用范围很广，分别包括用于空中交通管制和汽车自动驾驶的固定和移动地面系统;用于监视、火控和天气监测的机载系统;以及用于导航、跟踪和监视的海军系统。

性能参数因应用而异，雷达系统可能需要在从L波段以下到Ka波段以上的任何频率下工作。8.5 至 11 GHz X 频段正迅速成为主导频率范围，可用于海上导航和多模有源电子扫描阵列 （AESA） 系统。AESA 雷达控制数千个发射和接收链，无需物理移动天线即可控制扫描/跟踪波束，并实现比传统架构更高的性能和可靠性。

氮化镓的优势

GaN市场机会由雷达应用的以下趋势推动：

更小的尺寸，以提高便携性和以更高频率组合大型阵列的能力

通过更高的输出功率提高保真度，以满足对更好的目标检测和可靠性的需求

提高效率，有助于减小系统尺寸并简化整体系统预算

更宽的工作频率，可降低检测敏感性

碳化硅氮化镓能够从小型轻量级器件提供高输出功率。GaN的高击穿场允许更高电压的操作。氮化镓功率放大器还消耗较少的电流，这意味着更低的工作能源成本和需要通过冷却系统散发的热量更少。高功率密度和较低的栅极电容使GaN能够提供比硅基器件更大的工作带宽。SiC基氮化镓还能承受比硅高得多的工作温度。

狼速优势

为了满足上述趋势，Wolfspeed 提供了广泛的产品组合，以涵盖整个卫星通信和 X 波段雷达应用范围，图 2 中显示了四个最新推出的产品示例。

Wolfspeed 采用其 G28V5 高性能 28V 代工工艺，该工艺既针对高频应用，也针对低频操作，以满足最高效率或宽带宽要求。该工艺可以使用0.15 μm的小栅极长度，从而降低栅极电阻和栅极至漏极电容，从而提高增益和效率。第二 

该公司已将产品从金属陶瓷封装迁移到包覆成型，以更好地利用SiC基氮化镓的尺寸优势。器件采用 QFN 封装，尺寸小至 5 × mm。

 

 

图 2：Wolfspeed 的产品组合满足卫星通信和雷达对金属陶瓷以及更小的包覆成型封装的要求。

来自高功率密度的热量

目标X波段应用通常必须提供多模功能，在连续波（CW）和短脉冲条件下工作。国防部门对小尺寸的额外需求加剧了热管理挑战。

尽管G28V5工艺可在高频下实现更高的效率，但仍必须考虑功率密度的增加，并且在PCB设计过程中进行仔细的热规划至关重要。

热对可靠性的影响

器件结温Tj直接影响平均故障时间（MTTF），MTTF是衡量器件可靠性的指标。由于 T j 与 MTTF 相关，因此 Wolfspeed 绘制了其所有过程的 MTTF 与 Tj 曲线。Wolfspeed 的所有氮化镓技术在 10°C 的峰值 Tj 下的平均故障时间超过 225 年。

 

 

图 3：无法直接测量 GaN 通道中的峰值温度，如上面的红点所示。

由于Tj不能直接测量，因此必须使用间接方法推导（图3）。红外显微镜首先用于测量封装外壳温度，然后使用有限元分析来创建精确的通道间温差。由此，可以计算出结壳热阻Rθjc。

然而，Rθjc随脉冲宽度和占空比而变化，如前所述，当今的X波段雷达应用通常需要多模（短脉冲和CW）操作。Rθjc随脉冲宽度增加，
并且趋向于固定的CW热阻值，与占空比无关。

因此，工程师必须仔细使用 Wolfspeed 数据表中的信息来计算 Tj 或通过仿真找到它。

QFN 安装解决方案

与直接安装在模块散热器上的金属陶瓷封装相比，QFN MMIC 通常位于多层 PCB 上。因此，不仅设备的热阻很重要，而且设备外壳和散热器之间的层的热阻也很重要。

虽然焊料具有低热阻，Rth，但PCB热阻可能很高，并且与器件本身的顺序相同，导致从基板到器件外壳的显着上升。因此，夹具温度需要足够低，以将外壳温度保持在允许的范围内。

在功耗、P diss、低于 30 W CW 的应用或需要脉冲 <500μs 和占空比 <20% 的应用中使用 QFN 器件时，使用通孔阵列作为热解决方案可能不仅足够，而且具有成本效益。

虽然不如铜柱有效，但过孔的导电环氧树脂填充有助于提高Rth，并且过孔之间的紧密间距可以支持热电感和低杂散电感要求。

对于Pdiss高于30 W的应用，例如具有类似CW信号的应用，R值较低的解决方案在于使用嵌入式硬币，通常是铜。硬币压入电路板，将热量从封装背面带走。与通孔阵列相比，缺点是增加了处理成本和时间。

 

 

图 4：QFN 器件通孔阵列和嵌入式硬币式安装的 Ansys 3D 模型。

使用如图3所示的Ansys 4D模型在CW信号下进行的Wolfspeed热仿真显示，嵌入式硬币方法可在实际应用中实现可实现的夹具温度。在这些条件下，通孔阵列需要负夹具温度才能在外壳背面达到 85°C。

审核编辑：郭婷