【功率器件心得分享】MACOM GaN在無線基站中的應(yīng)用

　　MACOM GaN在無線基站中的應(yīng)用

　　用于無線基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體技術(shù)正在經(jīng)歷一場重大的變革，特別是功率放大器(PA)市場。橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管在功率放大器領(lǐng)域幾十年來的主導(dǎo)地位正在被氮化鎵(GaN)撼動，這將對無線基站的系統(tǒng)性能和運營成本產(chǎn)生深遠的影響。氮化鎵顯而易見的技術(shù)優(yōu)勢(包括能源效率提高、帶寬更寬、功率密度更大、體積更小)使之成為LDMOS的天然繼承者服務(wù)于下一代基站，尤其是1.8GHz以上的蜂窩頻段。盡管以前氮化鎵與LDMOS相比價格過高，但是MACOM公司的最新的第四代硅基氮化鎵技術(shù)(MACOM GaN)使得二者成本結(jié)構(gòu)趨于相當。

　　這里我們將詳細了解下LDMOS、碳化硅基(SiC)氮化鎵和MACOM氮化鎵技術(shù)的優(yōu)缺點，從產(chǎn)品性能、成本控制以及供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)方面權(quán)衡它們的利弊。在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域有著幾十年的經(jīng)驗和專業(yè)知識，MACOM在評估它們在商業(yè)基站應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)度方面無疑更有發(fā)言權(quán)。

　　一、硅基氮化鎵功率晶體管比LDMOS的效率優(yōu)勢可忽略不計，與碳化硅基氮化鎵器件的效率優(yōu)勢無法比擬。

　　MACOM公司基于氮化鎵的MAGb功率晶體管在2.6GHz頻段可提供高于70%的峰值效率以及19dB的線性增益，若匹配以合適的諧波阻抗其峰值效率會超過80%。該功率效率性能可與最優(yōu)秀的碳化硅基氮化鎵器件的效率相匹敵，與傳統(tǒng)LDMOS器件相比有10%的效率提升。若能被正確地應(yīng)用，這個效率優(yōu)勢會幫助節(jié)省大量電費，并通過減小散熱裝置、供電模塊(PSU)以及射頻拉遠單元(RRH)的整體尺寸，節(jié)省資本支出(CAPEX)，這將對營運商節(jié)省運營支出(OPEX)產(chǎn)生深遠的影響。若平均電費為$0.1/KWh，僅將新的宏基站替換使用氮化鎵技術(shù)，一年節(jié)省的電費可超過$100M。

　　二、碳化硅基(SiC)氮化鎵的熱特性保證了功率放大器更好的可靠性。

　　MACOM公司的MAGb功率晶體管系列在真實的基站工作溫度200℃的環(huán)境下MTTF超過106小時，由此可見該器件在基站現(xiàn)場確實和碳化硅基氮化鎵器件一樣穩(wěn)健可靠，與傳統(tǒng)LDMOS器件的持久性相當。MACOM借助先進的晶體管設(shè)計和封裝技術(shù)實現(xiàn)與碳化硅基氮化鎵器件相同的熱性能。通過優(yōu)化晶體管布線設(shè)計以及采用創(chuàng)新的散熱材料和裸片焊接方法，有效消除了Si相對SiC在襯底中15%到30%的導(dǎo)熱性差異。

　　三、基于氮化鎵的器件引入了線性問題，很難用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)來修正。

　　Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)因為高回退效率而被廣泛采用，但由于其引入非線性失真，會導(dǎo)致信號放大的失真問題。這可以通過數(shù)字預(yù)失真(DPD)來修正，但實踐表明，碳化硅基氮化鎵器件實現(xiàn)DPD優(yōu)化相當困難。碳化硅中的電荷捕獲效應(yīng)被認為是由于其硅結(jié)構(gòu)中的晶格缺陷所致，最終導(dǎo)致功率放大器的線性化困難。相較而言，MACOM基于氮化鎵的MAGb功率晶體管比其他氮化鎵技術(shù)更易于線性化和使用DPD技術(shù)來進行修正，并沒有遇到其它碳化硅基氮化鎵器件遇到的缺陷，從技術(shù)角度比LDMOS和碳化硅基氮化鎵更適合基站應(yīng)用。

　　四、氮化鎵的功率密度優(yōu)勢因其成本過高而被抵消。

　　MACOM氮化鎵的功率密度是裸片尺寸相同的LDMOS的4到6倍。盡管MACOM氮化鎵的材料成本因氮化鎵外延淀積而略高于LDMOS，但MACOM的晶片加工流程相較LDMOS可以節(jié)省50%的制造步驟，從而單片晶圓的加工成本差異幾乎可以忽略不計。最后，在量產(chǎn)階段MACOM氮化鎵的單個裸片尺寸只是LDMOS的1/4到1/6，可以支持更低的成本結(jié)構(gòu)。

　　MACOM氮化鎵的高功率密度可實現(xiàn)更小的器件封裝。另外，設(shè)計人員可以在保持既有功率放大器尺寸的同時獲得更高的功率和/或更大的集成度，以適應(yīng)大規(guī)模陣列MIMO收發(fā)天線架構(gòu)的需求。MACOM的MAGb功率晶體管系列充分體現(xiàn)了這一功率密度優(yōu)勢。該系列的初始產(chǎn)品包括峰值功率高達400W的單端晶體管、雙端晶體管以及在對稱和不對稱架構(gòu)下峰值功率均可高達700W的單封裝Doherty器件。這些器件的物理尺寸與性能較低的LDMOS器件和性能相當?shù)奶蓟杌壠骷叽缦嗤?/p>

　　五、在基站應(yīng)用里用氮化鎵實在過于昂貴。

　　MACOM氮化鎵產(chǎn)品線所生產(chǎn)的氮化鎵的相關(guān)器件，其每瓦特功率的晶圓成本只有相應(yīng)的LDMOS產(chǎn)品的一半，與基于碳化硅的氮化鎵晶圓相比，在能達到相同性能的情況下，其量產(chǎn)成本顯著降低。MACOM氮化鎵成本控制方面具有明顯優(yōu)勢。技術(shù)發(fā)展成熟后，硅基氮化鎵將受益于非常低的硅成本結(jié)構(gòu)，與目前碳化硅基氮化鎵比其晶圓成本只有百分之一，因為與硅工藝相比，碳化硅晶體材料的生長速度要慢200至300倍，還有相應(yīng)的晶圓廠設(shè)備折舊以及能耗成本上的差別。碳化硅基氮化鎵的高昂的成本，極大限制了其在商業(yè)基站成為主流應(yīng)用的前景。相比之下，一個8英寸硅晶圓廠幾周的產(chǎn)能便可滿足MACOM氮化鎵用于整個射頻和微波行業(yè)一年的需求。MACOM公司在6英寸硅晶圓生產(chǎn)(2017年轉(zhuǎn)為8英寸硅晶圓)領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)先地位和與合作方的親密協(xié)作，進一步提高了生產(chǎn)能力并提供了產(chǎn)業(yè)必需的成本結(jié)構(gòu)，破除了氮化鎵技術(shù)在商業(yè)基站市場應(yīng)用中所面臨的障礙。

　　六、氮化鎵滿足不了基站行業(yè)的供應(yīng)鏈需求。

　　生產(chǎn)碳化硅的高附加成本決定了只能由少量產(chǎn)品混合度高但產(chǎn)量低的晶圓廠提供，導(dǎo)致其缺少服務(wù)商業(yè)規(guī)模應(yīng)用的能力，尤其是滿足不了需求高峰時的要求。而且碳化硅是一種相對新興的材料，在商業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用時間也比較短，但硅材料卻已經(jīng)擁有六十多年產(chǎn)業(yè)化和發(fā)展歷史。因此，硅基氮化鎵供應(yīng)鏈效率自然更高。硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展已為硅基氮化鎵在量產(chǎn)規(guī)模、庫存維護、滿足需求波動等方面打下了堅實的基礎(chǔ)。