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基于SiC/派瑞林衬底的异质集成柔性GaN射频功率放大器
Heterogeneously Integrated Flexible GaN RF Power Amplifier on SiC/Parylene Substrate
| 作者 | Wenhao Zheng · Qingzhi Wu · Zhen Zhao · Ziyu Zhang · Yan Wang · Bo Xu |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 柔性射频系统 氮化镓功率放大器 碳化硅/派瑞林衬底 异质集成工艺 输出功率 |
语言:
中文摘要
柔性射频(RF)系统的发展增加了对高功率柔性氮化镓(GaN)放大器的需求。在本文中,提出了一种利用碳化硅(SiC)/聚对二甲苯异质集成衬底的异质集成工艺,用于制造柔性射频GaN功率放大器(PA)。在该制造工艺中,首先在厚度为<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$100~\mu $ </tex-math></inline-formula>m的SiC衬底上设计GaN PA,然后在将其粘贴到临时载体上后,将其减薄至约<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\sim 5~\mu $ </tex-math></inline-formula>m。随后,通过化学气相沉积(CVD)将一层厚度为<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$25~\mu $ </tex-math></inline-formula>m的聚对二甲苯层直接沉积到SiC衬底上,形成SiC/聚对二甲苯衬底。与纯聚对二甲苯衬底相比,所提出的衬底在保持柔性的同时可以改善散热性能。最后,通过将其从临时载体上剥离,可获得柔性GaN PA。利用所提出的工艺,展示了一款具有先进输出功率的柔性GaN PA。连续波(CW)测量结果表明,该柔性PA在平坦条件下于1.6 GHz处实现了28.3 dBm的饱和输出功率(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${P}_{\text {sat}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>),相应的功率附加效率(PAE)高达38.3%。还对该功率放大器在曲率半径为3 cm的弯曲条件下的柔性性能进行了表征,结果显示其<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${P}_{\text {sat}}$ </tex-math></inline-formula>下降小于0.1 dB。本文的研究结果将有助于需要高数据速率或长距离传输的柔性无线通信系统。
English Abstract
The development of flexible radio frequency (RF) systems has increased the demand for high-power flexible gallium nitride (GaN) amplifiers. In this letter, a heterogeneous integration process utilizing a silicon carbide (SiC)/parylene heterogeneously integrated substrate is proposed for flexible RF GaN power amplifier (PA). In this fabrication process, the GaN PA is first designed on a SiC substrate with 100~ m thickness and then thinned down to 5~ m after adhering to a temporary carrier. Subsequently, a 25~ m-thick parylene layer is deposited directly onto the SiC substrate via chemical vapor deposition (CVD), forming a SiC/parylene substrate. The proposed substrate can improve thermal dissipation compared to a pure parylene substrate while maintaining flexibility. Finally, a flexible GaN PA can be obtained by peeling it off from the temporary carrier. By utilizing the proposed process, a flexible GaN PA with state-of-the-art output power is demonstrated. The continuous-wave (CW) measurement results show that a saturation output power ( P_ sat ) of 28.3 dBm at 1.6 GHz under flat conditions is achieved for the flexible PA. And the corresponding power-added efficiency (PAE) reaches up to 38.3%. The flexible performance of the power amplifier is also characterized under bending condition with a curvature radius of 3 cm, which exhibits less than 0.1 dB degradation in P_ sat . The results of this letter will be useful for flexible wireless communication systems requiring either high data-rate or long-distance transmission.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项柔性GaN射频功率放大器技术虽然聚焦于通信领域,但其底层的异质集成工艺和材料创新对我司在功率电子领域的技术演进具有重要参考价值。
该技术采用SiC/Parylene异质集成基板方案,通过将SiC衬底减薄至5微米并与柔性Parylene层结合,在保持柔性的同时显著改善了散热性能。这一思路与阳光电源在高功率密度逆变器和储能变流器设计中面临的热管理挑战高度契合。特别是在分布式光伏和户用储能系统中,设备需要适应复杂的安装环境和空间约束,柔性化功率器件可为产品形态创新提供新的可能性。
从技术成熟度评估,该研究展示的28.3 dBm饱和输出功率和38.3%的功率附加效率,以及在3厘米曲率半径弯曲条件下仅0.1 dB的性能衰减,证明了工艺的可靠性。然而,射频功率放大器与我司核心的中高压功率变换器件在工作频率、电压等级和功率范围上存在显著差异。将此技术路径迁移至千瓦级以上的功率电子应用,需要解决更严苛的热管理、电气绝缘和机械可靠性问题。
潜在机遇在于,随着电动汽车无线充电、移动储能和柔性光伏组件的发展,柔性功率电子器件的需求正在显现。阳光电源可跟踪GaN器件的柔性化集成技术发展,评估其在车载充电模块、便携式储能电源等新兴场景的应用潜力,同时关注SiC基材料的薄化工艺对降低器件成本的长期影响,为未来产品差异化布局储备技术洞察。