使用片外无源器件尽可能提高GaN性能并降低成本 留言

Using Off-Chip Passive Components to Maximize GaN Performance & Reduce Cost

Ron Demcko and Daniel West, AVX Corporation, Greenville, S.C.

与硅技术相比，GaN半导体降低了材料电容，提高了电子迁移率，从而使传导损耗明显降低，开关时间大大加快，频率–温度和频率–电压特性更高。众多实验室的测试一致表明，GaN的很多性能优于其竞争技术，这加速了GaN功率器件在众多应用中的部署。现在，全世界的工程师都在利用这些紧凑、损耗低和开关快速的半导体来开发更小、更轻、更可靠的系统，以扩展固态射频电源设计的能力。

伴随着GaN的诸多优点，新的电路设计也面临着一系列的挑战。例如，GaN器件输出端的无源器件会降低有源器件的输出功率。即使无源器件没有引入过多的损耗，它们也会降低GaN以最高性能运行的能力。其中一些设计挑战可以通过使用高性能的无源器件来克服，如高级电容器和表面贴装技术（SMT）热管。

本文讨论了几种高性能的无源器件技术，它们与GaN搭配良好，可提供阻抗匹配、偏置滤波、直流阻断和热控制，帮助GaN功率器件以最佳方式运行。

单层电容器和阻抗匹配

单层电容器（SLC）可在40GHz以下提供良好的性能，可用于内部和外部配置——例如，作为阻抗匹配网络的一部分，在最大化GaN功率放大器的功率传输方面发挥着不可或缺的作用。当放置在器件封装内时，SLC可以成为晶体管的引线框架和栅极之间的匹配网络的元件，帮助在器件的输入端提供宽带阻抗匹配。在封装外使用时，SLC可用于阻抗匹配、直流阻断和宽带旁路。SLC可以配置为单、双或多SLC阵列，以尽量减少器件数量。

SLC的大部分电气特性是由陶瓷介质决定的。两种最常见的电介质是二氧化硅和C0G（NP0）EIA I级温度补偿陶瓷。两者都有很高的温度稳定性（0±30ppm/℃），非常适合于温度高和热稳定性要求高的阻抗匹配。一种新型的电介质，GBBL（grain boundarybarrier layer）材料，表现出值得关注的性能，在需要块状电容器的情况下，可代替通用的Z5U和Y5V陶瓷电介质。与Z5U和Y5V电介质相比，典型的GBBL电介质表现出X7S的温度特性，具有更好的温度稳定性（图1）。

图1 Z5U、Y5V和X7S电介质的温度稳定性。GBBL材料具有X7S的温度特性。

SLC端面通常由溅射的TiW/Au或TiW/Ni/Au组成。这种溅射材料的组合产生了薄而高质量的端接表面，具有良好的粘附性，这对于导电环氧树脂附着和导线丝焊（wirebond）至关重要，特别是对于需要重度温度循环的高功率射频器件。端面可以是有边框的，即金属化不延伸到电容器边缘，也可以是无边框的，即延伸到电容器边缘（图2）。有边框的SLC最大限度地减少了导电环氧树脂爬上侧壁触及顶板和造成电容器短路的机会。理想情况下，环氧树脂应该流到SLC侧面的一半，但既然MIL-SPEC没有特别规定模具边缘的导电环氧树脂高度，就可以使用有边框的SLC避免环氧树脂溢出产生负面结果。¹ 无边框的SLC通常用于源旁路配置，因为它们减少了顶部端面和有源器件之间的连接长度。

图2 有边框（a）和无边框（b）的SLC。多余的导电环氧树脂会爬上无边框SLC的侧壁，导致短路。资料来源：TJ Green Associates,LLC.¹

原文始发于微信公众号（actMWJC）