CN113611695B - 一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法，系统包括高效率GaN功放单元、微波信号控制单元、多层级散热单元和智能管控单元，所有单元集成在4U标准机柜内；所述高效率GaN功放单元实现万瓦级功率，微波信号控制单元实现稳定射频微波，多层级散热单元保证了系统的安全性，智能管控单元保证了系统运行稳定性和可调控性。本发明采用采用高效率GaN功放单元实现万瓦级功率源的高集成度和小尺寸，有效满足了单机柜的系统集成，同时采用多层级散热单元解决万瓦级功率产生的热可靠性隐患，有效保证了功率源系统性能的稳定性和系统安全性；相比传统的磁控管结构功率源系统，其尺寸更小、稳定性和可靠性更高。

Description

一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法
技术领域
本发明属于射频微波器件研制与开发领域，特别是一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法。
背景技术
大尺寸、高品质金刚石材料在超精密加工、高频通讯、极端光学、大功率器件等领域属于重要、关键、基础甚至战略性的材料。而目前其金刚石材料研制的微波CVD装备受到国外“瓦森纳协定”限制，引进困难。国内的微波CVD行业在固态微波源、大功率微波CVD系统与国外先进水平存在较大差距，尤其固态微波功率源系统存在输出功率低、效率低、稳定性差和寿命短等问题，严重制约了金刚石材料在宽禁带半导体器件及极端光学领域的跨越式发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法，可替代现有工业生产用微波CVD设备的功率源，提升微波CVD设备的生产能力和设备可靠性，极大提升金刚石材料的生长品质、效率和成本。
实现本发明目的的技术方案为：一种万瓦级GaN基固态功率源系统，包括高效率GaN功放单元、微波信号控制单元、多层级散热单元和智能管控单元，所有单元集成在4U标准机柜内；
所述高效率GaN功放单元采用阵列分散式GaN功率器件集成，实现高功率输出和热分布均匀性的协同；
所述的微波信号控制单元主要包括900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器，实现射频微波输出；
所述的多层级散热单元采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳、歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构；
所述的智能管控单元主要包括动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块，实现输出功率和频率的控制，同时满足对不可靠因素的预警与保护。
进一步的，阵列分散式GaN功率器件集成在多层级散热单元的歧管式散热铝基板中，其分布式布局尺寸间距在20mm以上，依据铝板尺寸和阵列器件数量确认间距。
进一步的，单个GaN功率器件功率为500W以上，采用GaN器件内外双匹配网络拓扑电路设计，保证GaN功放单元的输出功率达4000W以上。
进一步的，所述的微波信号控制单元将微波信号功分N路给高效率GaN功放单元，同时将高效率GaN功放单元输出的信号通过波导合成至万瓦级功率输出，N代表高效率GaN功放单元个数。
进一步的，所述的多层级散热单元为多级热输运结构，金刚石/碳化硅复合结构GaN功率管芯中的碳化硅的厚度在30-50um之间；局域金刚石铜复合结构外壳中的复合金刚石铜热沉为嵌入式结构，其尺寸覆盖外壳内部，与GaN管芯直接通过金锡封接，形成芯片级和封装级的热传递；歧管式散热铝基板为铝基板内涵歧管结构微流道；GaN器件模块直接与歧管铝基板进行导热胶填充的机械集成，实现封装级和系统级的热传递。
进一步的，微流道内部进行镀金处理。
进一步的，不可靠因素包括漏电、过流、欠压、过热。
一种万瓦级GaN基固态功率源系统的制造方法，包括：
高效率GaN功的放单元设计与制备：高效率GaN功放单元采用阵列分散式GaN功率器件集成，实现高功率输出和热分布均匀性的协同；
微波信号控制单元设计与制备：微波信号控制单元主要包括900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器，实现射频微波输出；
多层级散热单元设计与制备：多层级散热单元采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳、歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构；
高可靠智能管控单元设计与制备：高可靠智能管控单元主要包括动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块，实现输出功率和频率的控制，同时满足对不可靠因素的预警与保护，所述不可靠因素包括漏电、过流、欠压、过热。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明采用阵列分散式GaN功率器件集成，解决高功率输出和热分布均匀性的协同，利用内外双匹配网络拓扑电路设计实现功率源的高效率、高集成度和大功率特性。同时，采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构集成，保证了系统在大功率下的热可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明的一种万瓦级GaN基固态功率源系统及其制造方法示意图。
图2是高效率GaN功放单元结构布局示意图。
图3是多层级散热单元设计示意图。
具体实施方式
本发明提出一种万瓦级GaN基固态微波功率源系统及其制造方法，可有效解决微波CVD行业的技术难点，研制的万瓦级GaN基固态微波功率源系统可替代现有工业生产用微波CVD设备的功率源，提升微波CVD设备的生产能力和设备可靠性，极大提升金刚石材料的生长品质、效率和成本，进一步带动微波CVD行业的跨越式发展。对支撑和牵引精密加工、宽禁带半导体器件及极端光学领域的跨越式发展，带动经济和社会持续进步，具有基础性、紧迫性及颠覆性的重要意义。
如图1所示，该系统主要包含高效率GaN功放单元A、微波信号控制单元D、多层级散热单元C和高可靠智能管控单元B，所有单元集成在4U标准机柜内。
高效率GaN功放单元是系统的核心，采用采用阵列分散式GaN功率器件集成，实现系统功率输出,受控于微波信号控制单元；微波信号控制单元采用900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器的高效集成，实现稳定射频微波，受控于高可靠智能管控单元；多层级散热单元采用芯片级、封装级级系统级的协同一体化散热结构，采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳、歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构集成，保证了系统在大功率条件了工作性能稳定性和系统安全性；高可靠智能管控单元采用动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块的集成，保证了系统运行稳定性和可调控性。上述结构设计实现了万瓦级功率源系统的高集成度、高可靠性和高性能等应用特性。相比传统的磁控管结构功率源系统，其尺寸更小、稳定性和可靠性更高，有效满足大功率微波CVD系统对固态微波功率源性能、高稳定性的要求。
结合图2，高效率GaN功放单元A采用阵列分散式GaN功率器件集成，集成在多层级散热单元的散热铝基板jb中，其分布式布局尺寸间距kd和cd在20mm以上，依据铝板尺寸和阵列器件数量确认间距，解决高功率输出和热分布均匀性的协同问题和机械集成的操作问题。其单个GaN功率器件功率输出在连续波情况下达500W以上，采用GaN器件内外双匹配网络拓扑电路设计，即器件封装外壳内先进行内匹配电路设计，在外壳互联中也进行外匹配电路设计，效率达60％以上，解决高集成、高效率问题。同时阵列结构的GaN器件依据单元输出总功率设计，保证GaN功放单元的输出功率在4000W以上，有效提升集成度和保证热不累积，万瓦级GaN基固态功率源系统的包含3个以上的高效率GaN功放单元。
微波信号控制单元D采用900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器进行集成，信号源采用锁相方式、结合检波输出结构实现频率偏差小于1％；采用功分器采用微带结构、结合波导合成结构，实现效率大于95％的射频微波功率输出。微波信号控制单元是将微波信号功分N路给高效率GaN功放单元，N代表高效率GaN功放单元个数，同时将高效率GaN功放单元输出的信号通过波导合成至万瓦级功率输出。
结合图3，多层级散热单元C设计为芯片级高效传热、封装级快速导热和系统级高效散热的多级热输运结构，首先，采用金刚石/碳化硅复合结构GaN功率管芯a解决高功率下GaN芯片热积累问题，金刚石/碳化硅复合结构要求金刚石和碳化硅可通过直接生长集成或键合集成制备，其碳化硅的厚度在30-50um之间，以满足器件制备和散热能力的协同；其次，采用局域金刚石铜复合结构外壳b，解决封装级的均热问题，复合金刚石铜热沉为嵌入式结构，其尺寸覆盖外壳内部，与GaN管芯直接通过金锡封接，形成芯片级和封装级的热传递；最后，采用歧管式散热铝基板c及其分流引液模块c-1的散热结构，铝基板内涵歧管结构微流道c-2，微流道内部进行镀金处理，增强可靠性；GaN器件模块直接与歧管铝板进行导热胶填充的机械集成，实现封装级和系统级的热传统，同时有效保证GaN功放单元的可替换性，使后期维护具有经济性。该结构直接实现单个散热单元达10KW以上的散热能力。
高可靠智能管控单元设计为动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块。首先，采用AC-DC及DC-DC的电源组结构形成动力驱动模块，将380V AC三相四线制市电分配至GaN功放单元中，实现微波功率源的驱动；其次，设计功率、信号及通信调制结构，并与人机交互软件窗口集成实现对功率与信号控制。最后，设计电压监控、电流监控、温度监控结构，并与人机交互软件窗口集成实现同时满足对漏电、过流、欠压、过热等不可靠因素的预警与保护。人机交互软件窗口采用传统的软件进行编程控制，并通过液晶显示系统实现人机的交互操作。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步进行详细说明。
实施例
一种万瓦级GaN基固态功率源系统的制造方法，具体包括：
高效率GaN功的放单元设计与制备：首先，设计制备连续波GaN功率器件，采用GaN器件内外双匹配网络拓扑电路，保证单个器件功率输出额定值为550W，效率为70％。其次，设计GaN功放单元的输出功率在4400W，采用8个GaN器件，阵列分散集成在多层级散热单元的散热铝基板中，阵列结构为2*4，其分布式布局尺寸间kd为20mm，cd为50mm，铝板平面尺寸设计为500*600mm。解决高功率输出和热分布均匀性的协同问题和机械集成的操作问题。最后，设计万瓦级GaN基固态功率源系统总功率为3万瓦，因此，制备上述7组高效率GaN功放单元，7组高效率GaN功放单元呈并列式集成于4U机柜中。
微波信号控制单元设计与制备：设计万瓦级GaN基固态功率源系统工作频率为2.45GHz，因此，采用2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器进行集成，信号源采用锁相方式、结合检波输出结构实现频率偏差小于1％；采用功分器采用微带结构、结合波导合成结构，实现效率大于95％的射频微波功率输出。微波信号控制单元是将微波信号功分7路给高效率GaN功放单元，同时将7组高效率GaN功放单元输出的信号通过波导合成至3万瓦级功率输出。
多层级散热单元设计与制备：首先，设计制备金刚石/碳化硅复合结构GaN功率管芯a，采用先GaN管芯制备，后与金刚石衬底集成的途径实现金刚石/碳化硅复合结构，其碳化硅的厚度在50um，金刚石厚度也为50um，满足片内散热。其次，设计制备局域金刚石铜复合结构外壳b，复合金刚石铜热沉为嵌入式结构，其尺寸覆盖外壳内部，与GaN管芯直接通过金锡封接，形成芯片级和封装级的热传递。最后，设计制备歧管式散热铝基板c及其分流引液模块c-1，铝基板尺寸为500*600*30mm，内涵歧管结构微流道c-2，壁厚为2mm，保证机械强度和散热能力(达到10KW以上的散热能力)，微流道内部进行镀金处理，厚度为0.5um以上，保证不被液体腐蚀；将GaN器件模块直接与歧管铝板进行导热胶填充的机械集成，实现封装级和系统级的热传统。
高可靠智能管控单元设计与制备：首先，采用AC-DC及DC-DC的电源组结构集成制备动力驱动模块，将380V AC三相四线制市电分配至GaN功放单元中，实现微波功率源的驱动。其次，设计和制备功率、信号及通信调制结构，并与人机交互软件窗口集成实现对功率与信号控制。最后，设计电压监控、电流监控、温度监控结构，并与人机交互软件窗口集成实现同时满足对漏电、过流、欠压、过热等不可靠因素的预警与保护。人机交互软件窗口采用传统的Labview软件进行编程控制，并通过液晶显示系统实现人机的交互操作。
万瓦级GaN基固态功率源系统集成：将高效率GaN功放单元、微波信号控制单元、多层级散热单元和高可靠智能管控单元通过电路互联，并将所有单元通过机械集成途径装配于4U标准机柜内，完成一种万瓦级GaN基固态功率源系统的制备。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种万瓦级GaN基固态功率源系统设计及其制造方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种万瓦级GaN基固态功率源系统，其特性在于，包括高效率GaN功放单元（A）、微波信号控制单元（D）、多层级散热单元（C）和智能管控单元（B），所有单元集成在4U标准机柜内；
所述高效率GaN功放单元（A）采用阵列分散式GaN功率器件集成，实现高功率输出和热分布均匀性的协同；
所述的微波信号控制单元（D）主要包括900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器，实现射频微波输出；
所述的多层级散热单元（C）采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳、歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构；
所述的智能管控单元（B）主要包括动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块，实现输出功率和频率的控制，同时满足对不可靠因素的预警与保护；
阵列分散式GaN功率器件集成在多层级散热单元的歧管式散热铝基板中，其分布式布局尺寸间距在20 mm以上，依据铝板尺寸和阵列器件数量确认间距；单个GaN功率器件功率为500W以上，采用GaN器件内外双匹配网络拓扑电路设计，保证GaN功放单元的输出功率达4000W以上。
2.根据权利要求1所述的万瓦级GaN基固态功率源系统，其特性在于，所述的微波信号控制单元（D）将微波信号功分N路给高效率GaN功放单元（A），同时将高效率GaN功放单元（A）输出的信号通过波导合成至万瓦级功率输出，N代表高效率GaN功放单元个数。
3.根据权利要求1所述的万瓦级GaN基固态功率源系统，其特性在于，所述的多层级散热单元（C）为多级热输运结构，金刚石/碳化硅复合结构GaN功率器件中的碳化硅的厚度在30-50um之间；局域金刚石铜复合结构外壳中的复合金刚石铜热沉为嵌入式结构，其尺寸覆盖外壳内部，与GaN功率器件直接通过金锡封接，形成芯片级和封装级的热传递；歧管式散热铝基板为铝基板内含歧管结构微流道；GaN功率器件直接与歧管式散热铝基板进行导热胶填充的机械集成，实现封装级和系统级的热传递。
4.根据权利要求3所述的万瓦级GaN基固态功率源系统，其特性在于，微流道内部进行镀金处理。
5.根据权利要求1所述的万瓦级GaN基固态功率源系统，其特性在于，不可靠因素包括漏电、过流、欠压、过热。
6.一种如权利要求1所述万瓦级GaN基固态功率源系统的制造方法，其特征在于，包括：
高效率GaN功放单元设计与制备：高效率GaN功放单元采用阵列分散式GaN功率器件集成，实现高功率输出和热分布均匀性的协同；单个GaN功率器件功率为500W以上，采用GaN器件内外双匹配网络拓扑电路设计，保证GaN功放单元的输出功率达4000W以上；
微波信号控制单元设计与制备：微波信号控制单元主要包括900MHz或2.45GHz的信号源、微带功分器及其输出检波器，实现射频微波输出；
多层级散热单元设计与制备：多层级散热单元采用芯片内部的金刚石/碳化硅复合结构衬底、局域金刚石铜复合结构外壳、歧管式散热铝基板及其分流引液模块的散热结构；
智能管控单元设计与制备：智能管控单元主要包括动力驱动模块、功率与信号控制模块、及其热电保护模块，实现输出功率和频率的控制，同时满足对不可靠因素的预警与保护，所述不可靠因素包括漏电、过流、欠压、过热。
7.根据权利要求6所述的万瓦级GaN基固态功率源系统的制造方法，其特征在于，阵列分散式GaN功率器件集成在多层级散热单元的歧管式散热铝基板中，其分布式布局尺寸间距在20 mm以上，依据铝板尺寸和阵列器件数量确认间距；
所述的微波信号控制单元将微波信号功分N路给高效率GaN功放单元，同时将高效率GaN功放单元输出的信号通过波导合成至万瓦级功率输出，N代表高效率GaN功放单元个数。
8.根据权利要求6所述的万瓦级GaN基固态功率源系统的制造方法，其特征在于，所述的多层级散热单元为多级热输运结构，金刚石/碳化硅复合结构GaN功率器件中的碳化硅的厚度在30-50um之间；局域金刚石铜复合结构外壳中的复合金刚石铜热沉为嵌入式结构，其尺寸覆盖外壳内部，与GaN功率器件直接通过金锡封接，形成芯片级和封装级的热传递；歧管式散热铝基板为铝基板内含歧管结构微流道，微流道内部进行镀金处理；GaN功率器件直接与歧管式散热铝基板进行导热胶填充的机械集成，实现封装级和系统级的热传递。
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