如何采用不同封裝技術(shù)構(gòu)建高性能GaN設(shè)備

使用GaN FET構(gòu)建高速系統(tǒng)并非易事。開(kāi)關(guān)電場(chǎng)可占據(jù)封裝上方和周?chē)目臻g，因此組裝使用GaN FET用于無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)對(duì)于整體性能至關(guān)重要。本文著眼于不同封裝技術(shù)對(duì)不同應(yīng)用的影響以及這些技術(shù)如何用于構(gòu)建高性能GaN設(shè)備。

氮化鎵正在迅速成為某些無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的首選技術(shù)。在雙向?qū)Ｓ脽o(wú)線(xiàn)電，寬帶放大器和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，GaN的優(yōu)勢(shì)在于允許更小，更堅(jiān)固和更可靠的系統(tǒng)。

當(dāng)在碳化硅（SiC）基板上構(gòu)建時(shí)，GaN提供更高的擊穿電壓比其他技術(shù)（超過(guò)100 V），以及電子遷移率是硅的十倍。正是這種能夠在更高溫度下運(yùn)行的組合支持在高壓，功率開(kāi)關(guān)設(shè)備和RF功率放大器中的使用。工作通道溫度超過(guò)150°C，功率密度更高，功率密度為5至30 W/mm，A類(lèi)和AB類(lèi)線(xiàn)性放大器越來(lái)越多地用于OFDM，W-CDMA，EDGE和CDMA系統(tǒng)。更高的頻率和功率性能意味著器件可以更高效的電平工作，以實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果，從而顯著節(jié)省功耗。

圖1：GaN與其他技術(shù)（來(lái)源： RFMD）。

據(jù)估計(jì)，全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)每年消耗的電力超過(guò)100 TWh，價(jià)值約120億美元，系統(tǒng)的功率放大器和饋電基礎(chǔ)設(shè)施消耗了50％到80％的網(wǎng)絡(luò)功率。使用GaN技術(shù)，無(wú)線(xiàn)基站功率放大器的性能比最新4G LTE信號(hào)下2.6 GHz的現(xiàn)有技術(shù)提高了20％以上。這種功率放大器效率的提高每年可節(jié)省10 TWh，即兩個(gè)核電站的等效功率輸出。

雖然效率提高可節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，但在采購(gòu)成本方面也可節(jié)省大量成本。系統(tǒng)。更高效的功率放大器可以幫助OEM通過(guò)簡(jiǎn)化冷卻節(jié)省資本設(shè)備成本，而高壓GaN組件可以降低AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的成本?？傮w而言，對(duì)總物料清單的影響可高達(dá)10％，從而顯著降低系統(tǒng)成本。

多家一級(jí)電信OEM已經(jīng)采用了該技術(shù)的低電壓版本，可節(jié)省多達(dá)2，400個(gè)功耗MWh。

Cree的GaN HEMT晶體管，例如工作在100 W或200 W輸出功率的CGHV27100，支持1.8至2.2 GHz和2.5至2.7 GHz頻段。這些器件在內(nèi)部進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳性能，實(shí)現(xiàn)寬瞬時(shí)帶寬，因此可用于高效率Doherty功率放大器（PA），其中2.14 GHz時(shí)功率增益超過(guò)18 dB，2.6 GHz時(shí)功率增益可達(dá)16 dB。 》 GaN晶體管的高負(fù)載阻抗和低電容意味著需要最小的匹配量和相移，從而簡(jiǎn)化了Doherty PA的設(shè)計(jì)。高功率密度為設(shè)計(jì)留下了充足的物理空間，即使沒(méi)有完全優(yōu)化，也可以從原始性能中獲益。

晶體管輸入匹配并提供陶瓷/金屬藥丸和法蘭封裝（見(jiàn)圖2） ）。結(jié)果

圖2：CGHV27100 GaN HEMT晶體管安裝在其評(píng)估板上。

CGHV27100支持2.5 - 2.7 GHz工作，增益為18.0 dB，25 W時(shí)效率為33％。器件性能更高意味著可以應(yīng)用高度數(shù)字預(yù)失真（DPD）校正。

數(shù)字預(yù)失真

PA比蜂窩基站中的任何其他模塊消耗更多的電力，這使其成為影響因素的重要因素。服務(wù)提供商的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。無(wú)線(xiàn)協(xié)議中涉及的復(fù)雜數(shù)字調(diào)制意味著PA應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)到遠(yuǎn)低于其最有效的飽和度。為了提高PA效率，可以在信號(hào)上使用數(shù)字技術(shù)來(lái)降低波峰因數(shù)并提高PA線(xiàn)性度，使其更接近飽和并降低功耗。

測(cè)試表明，典型AB類(lèi)功率放大器的效率為40％使用DPD的模塊，這是對(duì)不使用數(shù)字預(yù)失真的PA的10％效率的重大改進(jìn)。在PA中使用GaN晶體管可以使放大器在使用DPD時(shí)以更高的效率運(yùn)行，在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中每年可節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元。

對(duì)于無(wú)與倫比的應(yīng)用，Cree的CGH40006S GaN HEMT晶體管工作電壓為28伏通用導(dǎo)軌，寬帶設(shè)計(jì)，適用于各種射頻和微波應(yīng)用。 GaN HEMT具有高效率，高增益和寬帶寬能力，使CGH40006S成為線(xiàn)性和壓縮放大器電路的理想選擇。晶體管采用3 mm x 3 mm，表面貼裝，四方扁平無(wú)引線(xiàn)（QFN）封裝，支持高達(dá)6 GHz的工作頻率，2.0 GHz時(shí)信號(hào)增益為13 dB，信號(hào)增益為11 dB在6.0 GHz。

裝配

然而，使用GaN FET構(gòu)建高速系統(tǒng)并非易事。開(kāi)關(guān)電場(chǎng)可以占據(jù)封裝上方和周?chē)目臻g，再加上通過(guò)封裝的更高功率，意味著使用GaN FET組裝無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)整體性能至關(guān)重要。

超高速開(kāi)關(guān)功能GaN FET可實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的功率密度。為了實(shí)現(xiàn)這些開(kāi)關(guān)速度，需要最小的電感以減少動(dòng)態(tài)損耗和振鈴，這是傳統(tǒng)封裝方法所不可能的。 EPC創(chuàng)新的晶圓級(jí)柵極柵格陣列（LGA）封裝使半橋電路的高頻回路電感能夠低至400 pH，與過(guò)沖相比，僅允許過(guò)沖23％，振鈴最小，效率提高2.5％在12 V，1 MHz時(shí)的1.6 nH布局。

圖3：具有0.4 mm的焊盤(pán)間距的GaN FET的安裝側(cè)。

使用這些新封裝，組裝過(guò)程對(duì)于這樣的設(shè)備也是更嚴(yán)格的。對(duì)于可靠，高產(chǎn)量的組件，LGA eGaN FET必須具有從焊盤(pán)之間沖洗掉的所有焊劑，在施加電源之前是干燥的，并且通過(guò)足夠的間隙組裝到電路板上以沖洗焊盤(pán)之間的任何焊劑。

這也意味著需要正確的焊料體積和回流工藝，以提供足夠的高度，以便從焊盤(pán)之間適當(dāng)沖洗任何焊劑，而不是過(guò)多的焊料，其中焊點(diǎn)變得不穩(wěn)定并且在回流期間傾斜或坍塌。在這里，每個(gè)焊料凸點(diǎn)的正確PCB焊接掩模足跡確保了焊料的正確封閉。

LGA封裝是焊接掩模定義的。這意味著銅跡線(xiàn)在所有方向上都大于焊接掩模開(kāi)口，通過(guò)焊接掩模限制焊料流動(dòng)。焊接掩模開(kāi)口應(yīng)略小于相應(yīng)的焊料凸點(diǎn)。過(guò)大的焊接掩模開(kāi)口可導(dǎo)致焊料橋接在短邊方向上從陸地到陸地，過(guò)窄的通道用于充分沖洗，或者在長(zhǎng)方向上模具傾斜。較小的開(kāi)口導(dǎo)致焊料溢出焊接掩模，導(dǎo)致短路或模具傾斜。當(dāng)芯片上還存在較大的凸點(diǎn)時(shí)，這對(duì)于小凸點(diǎn)尤其重要，典型的焊接掩模厚度不應(yīng)超過(guò)25μm。雖然eGaN FET LGA封裝非常小，但這些器件設(shè)計(jì)用于承載大電流這會(huì)影響銅跡線(xiàn)的設(shè)計(jì)。對(duì)于0.4mm間距，較重的銅跡線(xiàn)可能變得太窄，而較輕的跡線(xiàn)將犧牲熱和電性能。除非它們被完全填充，否則不應(yīng)將過(guò)孔放置在焊盤(pán)中，因?yàn)槲刺畛涞倪^(guò)孔會(huì)將焊料從焊點(diǎn)上吸走，這又可能導(dǎo)致模具傾斜或不足以進(jìn)行適當(dāng)?shù)那鍧崱?/p>

焊料量和模板設(shè)計(jì)

正確的焊料量有助于確保正確組裝并允許正確清潔設(shè)備，這對(duì)于提供可靠的設(shè)備至關(guān)重要。對(duì)于3型焊料，焊膏的回流焊料量應(yīng)大致等于焊接掩模上方每個(gè)端子上的焊料量。在確定焊接掩模和模板開(kāi)口區(qū)域中的焊料量時(shí)，必須注意焊料的金屬負(fù)載，并且體積將基于模板厚度，理想情況下為100μm。

類(lèi)型4焊料具有較小的顆粒，并且流動(dòng)更自由，導(dǎo)致更高的模具傾斜和焊料橋接風(fēng)險(xiǎn)。如果必須使用4型焊料，則需要較少的焊料。例如，對(duì)于4型焊料，EPC2001的180μm寬的模板開(kāi)口應(yīng)減小到165μm。

對(duì)于100μm模板，3型焊料，88.5％金屬負(fù)載，模板開(kāi)口應(yīng)與焊接掩模開(kāi)口，孔的角部圓角半徑為60μm。激光切割模板比化學(xué)蝕刻模板具有更直的壁，因此通常會(huì)導(dǎo)致比化學(xué)蝕刻的模板更多的焊料釋放量相同的光圈。建議將180μm寬的模板孔用于激光切割模板。化學(xué)蝕刻模板可能需要稍微寬一點(diǎn)（寬度可達(dá)200μm），以獲得足夠的焊料釋放量。

底部填充劑

底部填充應(yīng)用于電路板暴露于濕氣的應(yīng)用中，這些應(yīng)用可能會(huì)提供環(huán)境，允許枝晶生長(zhǎng)。不完全的清潔和干燥會(huì)留下未固化的焊劑，這是樹(shù)枝狀晶體可以生長(zhǎng)的介質(zhì)。

傾斜的模具將使設(shè)備無(wú)法徹底清潔，留下殘留的焊劑并使樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)。發(fā)現(xiàn)模具傾斜的主要原因是焊膏厚度不均勻，回流期間振動(dòng)過(guò)大，溫度曲線(xiàn)未經(jīng)優(yōu)化，焊料掩模尺寸過(guò)大和/或焊料體積過(guò)大的焊料模板尺寸過(guò)大。通常，焊料均勻流動(dòng)并同時(shí)大致熔化。當(dāng)附近有大量質(zhì)量元素時(shí)，必須小心調(diào)整焊料回流曲線(xiàn)。所有焊料必須流動(dòng)以使表面張力保持水平并對(duì)齊設(shè)備由于焊料體積過(guò)大或焊料掩模開(kāi)口尺寸過(guò)小，可能會(huì)發(fā)生焊料橋接，特別是在管芯內(nèi)的焊盤(pán)長(zhǎng)度變化時(shí)，例如EPC2001的柵極和基板凸點(diǎn)。多余的體積沒(méi)有足夠的表面張力來(lái)將焊料固定在一起，焊料坍塌，使一個(gè)端子與另一個(gè)端子短路。焊接掩模開(kāi)口太寬可以縮短焊條之間的距離，使其更容易變短。

結(jié)論

LGA封裝提供了充分利用GaN FET超快速開(kāi)關(guān)能力所需的低電感技術(shù)。通過(guò)適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)，使用GaN FET的組件將具有高產(chǎn)量和長(zhǎng)而可靠的工作壽命。

LGA器件尺寸是焊接掩模定義的，因此掩模設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)表中推薦的焊盤(pán)圖案。正確的焊料體積和回流曲線(xiàn)將有助于確保安裝的模具具有足夠的間隙，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)臎_洗。需要在所有方向上進(jìn)行沖洗并進(jìn)行干燥以去除殘留物，否則這些殘留物會(huì)使枝晶生長(zhǎng)。

必須調(diào)整回流溫度曲線(xiàn)以確保完全回流并幫助避免模具傾斜導(dǎo)致助焊劑被捕獲并允許樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)這種新包裝和更高性能設(shè)備的結(jié)合有助于為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的運(yùn)營(yíng)成本。使用更高性能的GaN器件來(lái)支持更多的數(shù)字預(yù)失真，使功率放大器能夠更有效地運(yùn)行，從而節(jié)省大量功率。使用新型堅(jiān)固的包裝，注重系統(tǒng)的組裝，使這些設(shè)計(jì)更可靠，更有效。