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。

迈向5G 之路

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。

图1: 迈向5G 之路

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：

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 目前拥有广泛的生产核可GaN 铸造流程，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 µm 高压技术（即QGaN25HV）开始发挥作用。QGaN25HV 使我们能够通过0.25 µm 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 µm 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 µm 或150 纳米技术。0.25 µm 技术非常适合X 至Ku 频段的应用。0.25 µm 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。

图2: Qorvo's GaN Technology Roadmap

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。

我们的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Qorvo 已在开发相应的工艺技术和封装技术，以推动客户的5G 应用。GaN 必将在5G 格局中发挥激动人心的关键作用。

作者：Dr. Doug Reep，Senior Director of Research，Qorvo公司