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。開關(guān)電場可占據(jù)封裝上方和周圍的空間，因此組裝使用GaN FET用于無線系統(tǒng)的系統(tǒng)對于整體性能至關(guān)重要。本文著眼于不同封裝技術(shù)對不同應(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線應(yīng)用的首選技術(shù)。在雙向?qū)Ｓ脽o線電，寬帶放大器和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，GaN的優(yōu)勢在于允許更小，更堅固和更可靠的系統(tǒng)。

當在碳化硅（SiC）基板上構(gòu)建時，GaN提供更高的擊穿電壓比其他技術(shù)（超過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行的組合支持在高壓，功率開關(guān)設(shè)備和RF功率放大器中的使用。工作通道溫度超過150°C，功率密度更高，功率密度為5至30 W/mm，A類和AB類線性放大器越來越多地用于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)（來源： RFMD）。

據(jù)估計，全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)每年消耗的電力超過100 TWh，價值約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)，無線基站功率放大器的性能比最新4G LTE信號下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，即兩個核電站的等效功率輸出。

雖然效率提高可節(jié)省運營成本，但在采購成本方面也可節(jié)省大量成本。系統(tǒng)。更高效的功率放大器可以幫助OEM通過簡化冷卻節(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，對總物料清單的影響可高達10％，從而顯著降低系統(tǒng)成本。

多家一級電信OEM已經(jīng)采用了該技術(shù)的低電壓版本，可節(jié)省多達2，400個功耗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)部進行匹配，以實現(xiàn)最佳性能，實現(xiàn)寬瞬時帶寬，因此可用于高效率Doherty功率放大器（PA），其中2.14 GHz時功率增益超過18 dB，2.6 GHz時功率增益可達16 dB。 》 GaN晶體管的高負載阻抗和低電容意味著需要最小的匹配量和相移，從而簡化了Doherty PA的設(shè)計。高功率密度為設(shè)計留下了充足的物理空間，即使沒有完全優(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（見圖2） ）。結(jié)果

圖2：CGHV27100 GaN HEMT晶體管安裝在其評估板上。

CGHV27100支持2.5 - 2.7 GHz工作，增益為18.0 dB，25 W時效率為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)提供商的運營費用。無線協(xié)議中涉及的復雜數(shù)字調(diào)制意味著PA應(yīng)該被驅(qū)動到遠低于其最有效的飽和度。為了提高PA效率，可以在信號上使用數(shù)字技術(shù)來降低波峰因數(shù)并提高PA線性度，使其更接近飽和并降低功耗。

測試表明，典型AB類功率放大器的效率為40％使用DPD的模塊，這是對不使用數(shù)字預(yù)失真的PA的10％效率的重大改進。在PA中使用GaN晶體管可以使放大器在使用DPD時以更高的效率運行，在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中每年可節(jié)省數(shù)百萬美元。

對于無與倫比的應(yīng)用，Cree的CGH40006S GaN HEMT晶體管工作電壓為28伏通用導軌，寬帶設(shè)計，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，四方扁平無引線（QFN）封裝，支持高達6 GHz的工作頻率，2.0 GHz時信號增益為13 dB，信號增益為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。開關(guān)電場可以占據(jù)封裝上方和周圍的空間，再加上通過封裝的更高功率，意味著使用GaN FET組裝無線系統(tǒng)對整體性能至關(guān)重要。

超高速開關(guān)功能GaN FET可實現(xiàn)最先進的功率密度。為了實現(xiàn)這些開關(guān)速度，需要最小的電感以減少動態(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，與過沖相比，僅允許過沖23％，振鈴最小，效率提高2.5％在12 V，1 MHz時的1.6 nH布局。

圖3：具有0.4 mm的焊盤間距的GaN FET的安裝側(cè)。

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

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，以便從焊盤之間適當沖洗任何焊劑，而不是過多的焊料，其中焊點變得不穩(wěn)定并且在回流期間傾斜或坍塌。在這里，每個焊料凸點的正確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。這意味著銅跡線在所有方向上都大于焊接掩模開口，通過焊接掩模限制焊料流動。焊接掩模開口應(yīng)略小于相應(yīng)的焊料凸點。過大的焊接掩模開口可導致焊料橋接在短邊方向上從陸地到陸地，過窄的通道用于充分沖洗，或者在長方向上模具傾斜。較小的開口導致焊料溢出焊接掩模，導致短路或模具傾斜。當芯片上還存在較大的凸點時，這對于小凸點尤其重要，典型的焊接掩模厚度不應(yīng)超過25μm。雖然eGaN FET LGA封裝非常小，但這些器件設(shè)計用于承載大電流這會影響銅跡線的設(shè)計。對于0.4mm間距，較重的銅跡線可能變得太窄，而較輕的跡線將犧牲熱和電性能。除非它們被完全填充，否則不應(yīng)將過孔放置在焊盤中，因為未填充的過孔會將焊料從焊點上吸走，這又可能導致模具傾斜或不足以進行適當?shù)那鍧崱?/p>

焊料量和模板設(shè)計

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，這對于提供可靠的設(shè)備至關(guān)重要。對于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端子上的焊料量。在確定焊接掩模和模板開口區(qū)域中的焊料量時，必須注意焊料的金屬負載，并且體積將基于模板厚度，理想情況下為100μm。

類型4焊料具有較小的顆粒，并且流動更自由，導致更高的模具傾斜和焊料橋接風險。如果必須使用4型焊料，則需要較少的焊料。例如，對于4型焊料，EPC2001的180μm寬的模板開口應(yīng)減小到165μm。

對于100μm模板，3型焊料，88.5％金屬負載，模板開口應(yīng)與焊接掩模開口，孔的角部圓角半徑為60μm。激光切割模板比化學蝕刻模板具有更直的壁，因此通常會導致比化學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。化學蝕刻模板可能需要稍微寬一點（寬度可達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)用可能會提供環(huán)境，允許枝晶生長。不完全的清潔和干燥會留下未固化的焊劑，這是樹枝狀晶體可以生長的介質(zhì)。

傾斜的模具將使設(shè)備無法徹底清潔，留下殘留的焊劑并使樹枝狀晶體生長。發(fā)現(xiàn)模具傾斜的主要原因是焊膏厚度不均勻，回流期間振動過大，溫度曲線未經(jīng)優(yōu)化，焊料掩模尺寸過大和/或焊料體積過大的焊料模板尺寸過大。通常，焊料均勻流動并同時大致熔化。當附近有大量質(zhì)量元素時，必須小心調(diào)整焊料回流曲線。所有焊料必須流動以使表面張力保持水平并對齊設(shè)備由于焊料體積過大或焊料掩模開口尺寸過小，可能會發(fā)生焊料橋接，特別是在管芯內(nèi)的焊盤長度變化時，例如EPC2001的柵極和基板凸點。多余的體積沒有足夠的表面張力來將焊料固定在一起，焊料坍塌，使一個端子與另一個端子短路。焊接掩模開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超快速開關(guān)能力所需的低電感技術(shù)。通過適當?shù)闹圃旒夹g(shù)，使用GaN FET的組件將具有高產(chǎn)量和長而可靠的工作壽命。

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

必須調(diào)整回流溫度曲線以確保完全回流并幫助避免模具傾斜導致助焊劑被捕獲并允許樹枝狀晶體生長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)運營商節(jié)省數(shù)百萬美元的運營成本。使用更高性能的GaN器件來支持更多的數(shù)字預(yù)失真，使功率放大器能夠更有效地運行，從而節(jié)省大量功率。使用新型堅固的包裝，注重系統(tǒng)的組裝，使這些設(shè)計更可靠，更有效。