利用 GaN 技术实现 5G 移动通信：为成功奠定坚实基础

Qorvo 密切关注着新兴的 5G 标准。令人兴奋的是，5G 可能包括适用于高数据带宽连接的毫米波 (mmW) 功能。随着 PC 电路板空间日益紧凑且 5G 环境中的频率越来越高，氮化镓 (GaN) 技术对于 RF 应用来说越来越具有吸引力。与 GaAs、硅或其他传统半导体材料相比，GaN 将在 5G 网络应用中大放异彩，如高频和尺寸受限的小型蜂窝。如下图所示，随着标准向 5G 演变，无线网络的强化会驱动许多技术进步。

谈及新兴的 mmW 标准时，GaN 较之现在的技术具有明显的优势。GaN 能够提供更高的功率密度，具有多种优点：尺寸减小功耗降低系统效率提高我们已经目睹 GaN 在 4G 基站方面的优势，在这一领域中，GaN 已经开始替代硅 LDMOS。对于 5G 来说，GaN 在高频范围内工作的能力有助于其从基站演变至小型蜂窝应用，从而进入移动设备。越过基础设施：将 GaN 应用到移动电话首款 GaN 应用是针对大功率军事使用开发的，例如雷达或反 IED 干扰机，然后逐渐扩展至商用基站和有线电视转播机。这些应用的典型工作电压范围为 28 至 48 V。但是，手持式设备的平均电压范围为 2.7 至 5 V。因此，要在上述低压水平下操作 GaN，我们需要研究不同种类的设备。采用替代材料的 GaN 器件正在研发，以在低压下有效工作。Qorvo 面向 5G 开发 GaN如下图所示，Qorvo 目前拥有广泛的 GaN 工艺技术，可用于制造 5G 应用产品：电压更高，频率更低：随着频率降低，我们的 0.25 m 高压技术（即 QGaN25HV）开始发挥作用。QGaN25HV 使我们能够通过 0.25 m 器件升高至 48 V，实现高增益和功率效率。QGaN25HV 非常适合迈向 6 GHz 的 5G 基站。在 L 和 S 频段之间的较低 4G 频率下，我们最高功率密度的 0.5 m 技术可达每毫米 10W。高频应用：我们目前的 GaN 工艺产品组合包括针对更高频率的 0.15 m 或 150 纳米技术。0.25 m 技术非常适合 X 至 Ku 频段的应用。0.25 m 技术还可提供高效的功率放大器功能。

GaN 工艺能为 5G 移动电话带来哪些优势呢?正如我们所见，随着频率标准越来越高（Ka 频段或 mmW），低压 GaN 工艺需要进一步发展。解决 GaN 和 5G 的封装和散热难题将 GaN 应用于 5G 的最后一步在于高级封装技术和热管理。用于高可靠性军事应用的 GaN 器件一般采用陶瓷或金属封装；但是，商用 5G 网络基础设施和移动电话则需要更小巧、更低成本的超模压塑料封装，才可与采用塑料封装的现有硅基 LDMOS 或 GaAs 器件竞争。同样，移动电话注重低成本模块，包括与其他技术组合的 GaN，其与目前的产品并无二致，但也需要非常紧凑、高效的 mmW 材料和器件。基础设施挑战是开发合适的封装，既能保持 RF 性能又能解决热管理问题。GaN 的较高功率密度（3 至 5 倍，甚至 10 倍于 GaAs）给子系统封装设计人员带来了棘手的散热和机械问题。工程师们必须在以下三个要求之间做好权衡：RF 性能、热管理和低成本。Qorvo 的塑料包塑封装具有针对 GaN 的增强热管理能力，包括内置于封装基座的均热器。采用塑料封装的产品还符合严格的环境标准，如针对温度、湿度和偏置合规性的 JEDEC 标准。这相当于给客户做出保证，我们的产品具有适合于 5G 应用的长期可靠性，无论是高频、高功率还是低压要求。展望未来尽管实现 5G 还有很长的路要走，但GaN 必将在 5G 格局中发挥激动人心的关键作用。本文来自Qorvo半导体，感谢原作者的付出，如转载不当，请及时联系我们。