【功率器件心得分享】MACOM GaN在无线基站中的应用

MACOM GaN在无线基站中的应用

        用于无线基础设施的半导体技术正在经历一场重大的变革，特别是功率放大器(PA)市场。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管在功率放大器领域几十年来的主导地位正在被氮化镓(GaN)撼动，这将对无线基站的系统性能和运营成本产生深远的影响。氮化镓显而易见的技术优势（包括能源效率提高、带宽更宽、功率密度更大、体积更小）使之成为LDMOS的天然继承者服务于下一代基站，尤其是1.8GHz以上的蜂窝频段。尽管以前氮化镓与LDMOS相比价格过高，但是MACOM公司的最新的第四代硅基氮化镓技术(MACOM GaN)使得二者成本结构趋于相当。

       这里我们将详细了解下LDMOS、碳化硅基（SiC）氮化镓和MACOM氮化镓技术的优缺点，从产品性能、成本控制以及供应链生态系统方面权衡它们的利弊。在无线基础设施应用领域有着几十年的经验和专业知识，MACOM在评估它们在商业基站应用领域的专业度方面无疑更有发言权。

  一、硅基氮化镓功率晶体管比LDMOS的效率优势可忽略不计，与碳化硅基氮化镓器件的效率优势无法比拟。

MACOM公司基于氮化镓的MAGb功率晶体管在2.6GHz频段可提供高于70%的峰值效率以及19dB的线性增益，若匹配以合适的谐波阻抗其峰值效率会超过80%。该功率效率性能可与最优秀的碳化硅基氮化镓器件的效率相匹敌，与传统LDMOS器件相比有10%的效率提升。若能被正确地应用，这个效率优势会帮助节省大量电费，并通过减小散热装置、供电模块(PSU)以及射频拉远单元(RRH)的整体尺寸，节省资本支出(CAPEX)，这将对营运商节省运营支出(OPEX)产生深远的影响。若平均电费为$0.1/KWh，仅将新的宏基站替换使用氮化镓技术，一年节省的电费可超过$100M。   

二、碳化硅基（SiC）氮化镓的热特性保证了功率放大器更好的可靠性。

MACOM公司的MAGb功率晶体管系列在真实的基站工作温度200℃的环境下MTTF超过106小时，由此可见该器件在基站现场确实和碳化硅基氮化镓器件一样稳健可靠，与传统LDMOS器件的持久性相当。MACOM借助先进的晶体管设计和封装技术实现与碳化硅基氮化镓器件相同的热性能。通过优化晶体管布线设计以及采用创新的散热材料和裸片焊接方法，有效消除了Si相对SiC在衬底中15%到30%的导热性差异。

三、基于氮化镓的器件引入了线性问题，很难用数字预失真技术来修正。

Doherty功率放大器结构因为高回退效率而被广泛采用，但由于其引入非线性失真，会导致信号放大的失真问题。这可以通过数字预失真(DPD)来修正，但实践表明，碳化硅基氮化镓器件实现DPD优化相当困难。碳化硅中的电荷捕获效应被认为是由于其硅结构中的晶格缺陷所致，最终导致功率放大器的线性化困难。相较而言，MACOM基于氮化镓的MAGb功率晶体管比其他氮化镓技术更易于线性化和使用DPD技术来进行修正，并没有遇到其它碳化硅基氮化镓器件遇到的缺陷，从技术角度比LDMOS和碳化硅基氮化镓更适合基站应用。

四、氮化镓的功率密度优势因其成本过高而被抵消。

MACOM氮化镓的功率密度是裸片尺寸相同的LDMOS的4到6倍。尽管MACOM氮化镓的材料成本因氮化镓外延淀积而略高于LDMOS，但MACOM的晶片加工流程相较LDMOS可以节省50%的制造步骤，从而单片晶圆的加工成本差异几乎可以忽略不计。最后，在量产阶段MACOM氮化镓的单个裸片尺寸只是LDMOS的1/4到1/6，可以支持更低的成本结构。

MACOM氮化镓的高功率密度可实现更小的器件封装。另外，设计人员可以在保持既有功率放大器尺寸的同时获得更高的功率和/或更大的集成度，以适应大规模阵列MIMO收发天线架构的需求。MACOM的MAGb功率晶体管系列充分体现了这一功率密度优势。该系列的初始产品包括峰值功率高达400W的单端晶体管、双端晶体管以及在对称和不对称架构下峰值功率均可高达700W的单封装Doherty器件。这些器件的物理尺寸与性能较低的LDMOS器件和性能相当的碳化硅基氮化镓器件尺寸相同。

五、在基站应用里用氮化镓实在过于昂贵。

  MACOM氮化镓产品线所生产的氮化镓的相关器件，其每瓦特功率的晶圆成本只有相应的LDMOS产品的一半，与基于碳化硅的氮化镓晶圆相比，在能达到相同性能的情况下，其量产成本显著降低。MACOM氮化镓成本控制方面具有明显优势。技术发展成熟后，硅基氮化镓将受益于非常低的硅成本结构，与目前碳化硅基氮化镓比其晶圆成本只有百分之一，因为与硅工艺相比，碳化硅晶体材料的生长速度要慢200至300倍，还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别。碳化硅基氮化镓的高昂的成本，极大限制了其在商业基站成为主流应用的前景。相比之下，一个8英寸硅晶圆厂几周的产能便可满足MACOM氮化镓用于整个射频和微波行业一年的需求。MACOM公司在6英寸硅晶圆生产（2017年转为8英寸硅晶圆）领域的行业领先地位和与合作方的亲密协作，进一步提高了生产能力并提供了产业必需的成本结构，破除了氮化镓技术在商业基站市场应用中所面临的障碍。

六、氮化镓满足不了基站行业的供应链需求。

生产碳化硅的高附加成本决定了只能由少量产品混合度高但产量低的晶圆厂提供，导致其缺少服务商业规模应用的能力，尤其是满足不了需求高峰时的要求。而且碳化硅是一种相对新兴的材料，在商业规模化应用时间也比较短，但硅材料却已经拥有六十多年产业化和发展历史。因此，硅基氮化镓供应链效率自然更高。硅产业发展已为硅基氮化镓在量产规模、库存维护、满足需求波动等方面打下了坚实的基础。

综合考虑所有这些因素，MACOM氮化镓在产品性能、成本有效性和商业供应链规模化之间取得了最佳平衡，是下一代宏基站技术平台的最佳选择。