INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN - Tecnología y Gestión de Producto (TGP) 27 Abril 2010 - CDTI
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INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN Tecnología y Gestión de Producto (TGP) 27 Abril 2010
INDICE
01 ANTECEDENTES
02 VISIÓN DEL PROGRAMA
03 SP1 IMPACTO DEL GaN EN LOS SISTEMAS
04 SP5 ANÁLISIS TERMICO
05 SP6 DEMOSTRADORES
2
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
ANTECEDENTES
PROFIT
Fabricación y Evaluación de nuevos dispositivos de Nitruro de Galio para transmisores
de potencia de microondas
FIT 020100 2001 201
FIT-020100-2001-201
FIT-020100-2002-720
Desarrollo de amplificadores de potencia (HPAs) en banda ancha utilizando
transistores ((HEMT)) de Nitruro de Galio
FIT-020100-2003-380
FIT-330100-2004-83
Programa
g COINCIDENTE
2002-2003 Asistencia Técnica para el Desarrollo de dispositivos de Nitruro de Galio
para transmisores de potencia de microondas transistores.
Expediente 1053820048
2003 2004 Asistencia
2003-2004 A i t i Técnica
Té i para ell desarrollo
d ll de
d prototipos
t ti de
d diversos
di circuitos
i it
amplificadores de radiofrecuencia utilizando componentes de Nitruro de Galio.
Expediente 1053830124
2004-2005 Asistencia Técnica ppara el desarrollo y caracterización de transistores y
amplificadores de radiofrecuencia con multiples dedos en Nitruro de Galio.
Expediente 1053840094 3
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
VISIÓN DEL PROGRAMA
KORRIGAN
SP0 SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6
PROJECT MGT SYSTEM ASPECTS MATERIALS PROCESSING RELIABILITY THERMAL MGT DEMONSTRATORS
WP1.1 WP2.1 WP3.1 WP4.1 WP5.1 WP6.1
Specifications SiC substrates Generic techno Parasitic effects Heat sinking HPA
ELT NOR SELEX UPAD TRT SELEX-S&AS
WP1.2 WP2.2 WP3.2 WP4.2 WP5.2 WP6.2
System
y Impacts
p Epitaxy
p y GaN HEMT dev. Reliabilityy eval. Assemblyy LNA/switches
SELEX-S&AS PICO QIN UMS TNNL TNO
WP2.3 WP3.3 WP4.3 WP5.3 WP6.3
Characterisation Device models Robustness Thermal simul. FE modules
TIGER/TRT IRCOM TDL INDRA TAS FR
TAS-FR
WP3.4 WP4.4
MMIC fab. Failure mechanism
TIGER/IEMN TIGER/TRT
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INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 1: ESPECIFICACIONES
Parameter Target Critical Unit Note
Frequency range 2-6 2-6 GHz
Output power 20 15 W At Psat
Power variation versus frequency ±1 ±2 dB
PAE 25 20 %
Gain 20 15 dB Linear, 2-3 stages
Gain variation versus frequency ±1.5 ±2 dB
Waveform CW CW
p return loss
Input >12 >9 dB
Output return loss >10 >7 dB
Power supply 25-30 TBA V
Stability Unconditional Unconditional
Chip size (microstrip solution) 15 (4x3.5) TBA mm2
Chip size (CPW solution) 20 (5x4) TBA mm2
MTTF TBA TBA hr/fail Accelerated tests in SP4 5
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 1: IMPACTO EN LOS SISTEMAS
HPAs
y densidad de p
La mayor potencia en GaN p
permite un ancho de
puerta menor (menos nº de “dedos”)
En general el área de un MMIC en GaN es un factor 3-4 veces
menor que un MMIC en GaAs (para la misma potencia)
La tecnología GaN permite mejoras adicionales en el diseño de
circuitos
Coste dependiente de: substratos, diametros de oblea (2” 3” 4”
6”) procesado y nº de obleas producidas
Thermal Management
El uso del GaN en substratos SiC proporciona mejoras en la
gestión térmica y por tanto permite menores requisitos de
refrigeración
6
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 1: IMPACTO EN LOS SISTEMAS
Los modulos en GaN tienen el potencial de
mayores prestaciones
prestaciones, menor tamaño y peso con
un coste esperado por debajo de los de GaAs
7
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 5: GESTIÓN TERMICA Wavelength
W l th
Spectroscopy
Comparación entre los 4 principales métodos de análisis térmico
TrefAFM
Laser beam
Jsat[Tmax] AFM Tip
gate gate gate
0
III-N
tmin :
100 ns
DTelectrical
DToptical Optical excitation
t Interacting area
of the spot light DTcontact
Silicon with the material
substrate
tCW
Heat sink : reference temperature Ts
Electrical Pulse Optical Method Contact Probe Photo-Current
ΔZth[t] : (Raman & ΔZth[t] : ΔZth[t] :
Zth[t]-Z
[t] Zth[t=100ns] Associated) Zth[t=∞]-Z
[t=∞] Zth[t=0] Zthh[t
[t=∞]-Z
∞]-Zthh[t
[t=0]
0]
Zth100ns < Zth < ΔZth[t] : = ZthCW = ZthCW
ZthCW Zth[t=∞]-Zth[t=100ns]
Spatial resolution : From 500µm
< ZthCW
down to 5µm but
Spatial resolution : Spatial resolution :
The hottest points can be detected
Spatial resolution : About 0.5µm in plane About 0.05µm
by wavelength analysis
Not any
8
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 5: GESTIÓN TÉRMICA
Validación
V lid ió de
d herramientas
h i t de d análisis
áli i
térmico
ANSYS, FLowterm, Harvard Thermal
Analysis,
Analysis
Soluciones de montaje
Distribución de dispositivos activos: face
up and flip chip
Guia de diseño de montaje para una
ejo a de la
mejora addisipación
s pac ó termica
te ca
4
0
µ
m
9
INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 5: GESTIÓN TÉRMICA
Tecnologías de encapsulado
10INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 6: DEMOSTRADORES (HPA Wideband 2-6 GHz)
Evolución constante de los montajes:
PCBs: de una PCB genérica a unas PCBs “a medida” (Protoláser).
11INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 6: DEMOSTRADORES (HPA Wideband 2-6 GHz)
Mejoras
j en las conexiones: hilos de “bonding”
g (Ø 25µm)
µ ) y cintas
de oro (20×100µm), variaciones en número y longitud.
12INDRA EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SP 6: DEMOSTRADORES (HPA Wide band 22-66 GHz)
Buscando soluciones térmicas Buscando soluciones eléctricas
13Juan Antonio Nieto
Dirección I+D
I D
Tecnología y Gestión de Producto
Indra Sistemas
janieto@indra.es
Ctra.Loeches 9
28850 Torrejón de Ardoz,
Madrid España
T +34 91 480 50 00
F +34 91 480 50 80
www.indra.es
14INDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
MMIC D
Design
i
Prof. Jesús Grajal
UPM
15INDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
Design : Microstrip 2-6GHz HPA
Approach: Two-stage HPA. Gate periphery: 4 mm first stage, 8 mm output stage
M k
Mask W f
Wafer F
Foundry
d R
Run T h l
Technology Ci
Circuits/Yield
it /Yi ld
SLX6 SLX62 SELEX-SI Run1 MS- Lg = 0.5 µm 4/20
SLX6 SLX54 SELEX-SI Run1 MS- Lg = 0.5 µm 9/45
SLX10 SLX82 SELEX-SI Run2 MS- Lg = 0.5 µm 25/63
QIN4 British Camp QINETIQ Run1 CPW-Lg=0.25 µm 1/12
QIN6 Masai QINETIQ Run2 CPW-Lg=0.25 µm 1/4
SLX6 SLX10
QIN6
5.5 mm
6.6 mm
3.8 mm
6.0 mm
4.6 mm
6 mmINDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
Dispersion of measurements: Technology Evolution
35
30 SLX66 SLX82
25 SLX54 SLX62
Gmaxx(dB)
20
15
10
5
0
.1 1 10 100
Frequency (GHz)
8
7 SLX54 SLX62 SLX66
Power Densitty (W/mm )
6
5
4
3
2
20 22 24 26 28 30
VDS (V) 17INDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
SLX6 RUN1
SLX6-RUN1 SLX10 RUN2
SLX10-RUN2
VDS=35V
VDS=25V
VDS=20V
CW Meas: Pout vs input power in test jig Pulsed Meas: Pout (@3dBc) vs Freq
Duty cycle=1%, pulse width=10µs
Maximum Output Power CW 16 W @ Vds=25V, i.e. circa 2 W/mm at MMIC level
Maximum Output Power CW > 20 W @ Vds=35V, i.e. circa 2.5 W/mm at MMIC level
Maximum Output Power (Pulsed) 35 W @ Vds=35V,
Vds=35V i.e.
i e circa 4.5
4 5 W/mm at MMIC level
Thermal issues still require improvementsINDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
Thermal design. Simulations of Device P10D
P10D: 1mm + real mounting (half device is shown)
70 μm SiC
70 μm H20E
381 μm Cu20W80INDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
Thermal design: Thermal resistance
60
thermal resistance, K mm/W 55
50 Dev. A: 1mm + ideal
45 mount.
40 Dev. B
D B: 1
1mm + reall
mount.
35
Dev. C: 8mm + ideal
30 mount.
25 Dev. D: 8mm + real
20 mount.
15
10
0 2 4 6 8 10
dissipated power, W/mm
Pdiss = 4 W/mm
Rth = 35 C mm/W ((1mm+real mounting+wcb)
g )
ΔT = Tch – Tbackside = Pdiss * Rth = 140 ˚CINDRA – UPM EN EL PROGRAMA KORRIGAN
Thermal issues: SLX6-RUN1
Pulsed measurements as a function of Duty CycleTambién puede leer
