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4－1
定 搭載用を考慮した実装方法を用いた宇 用電力増幅回路作製前章 設計 行 20 W級宇 用電力増幅回路 作製 い 細 示
外部 型 ッ GaN on SiC HEMT：TGF2023-05 TriQuint 用い 基板 基板
厚0.8mm 銅箔厚35um AD1000 ARLON 用い ン ン 増幅回路構造 用
い Fig. 4-1 電力増幅回路 外観 示 50*50*20 mm あ
GaN HEMT実装部 拡大 Fig. 4-2 示 単素子 出力 CW連続動作 電子冷 等
積極的 排熱 存 熱伝 放熱環境 安 動作 求 宇 用電力
増幅回路 い 放熱特性 優 実装方法 更 ッ 打 振
動や 衝撃 影響や真空環境 放熱特性 変化 い 要 本研究
自 実装方法 提案 い Fig. 4-2 示 う 本研究 凸型形状 底面 銅
加 熱伝 率 物性値 持 銅 GaN HEMT 直接実装 い
宇 用 ン ン 銅 用 例 無い
熱伝 率 Sn-3.0Ag-0.5Cu 用い GaN HEMT 銅 熱
抵抗 極限 い 基板 金 ッ 施 GaN HEMT ン
ッ 間 ン ン ワ 金ワ 用 接続 強固
機 環境等 影響 減や長期信 度 向 能 い
Fig. 4-1 Appearance of the X-band, 20-W, space-use amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05). RF in and RF out mean input and output port of RF signal. Vg and Vd show gate voltage supply and drain voltage supply ports.
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Fig. 4-2 Detailed picture of the proposed space applicable mounting method of GaN HEMT device in the X-band, 20-W, space-use amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05).
実装方法 関 既存 手法や 供給 推奨 手法 断面 比較
Fig. 4-3 示 Fig. 4-3(a) 用い 実装方法 表面実装
実装方法 一般的 あ 基板 表面 裏面 銅箔 接続
実装部 複数設 使 熱 底面側 基板 銅箔 逃
銅箔 接触 底面 熱 拡散 いく形 底面
一般的 用 用い 実装方法 一般 基板
熱伝 率 い 放熱特性 著 く く 出力動作 常温 あ HEMT
温度 限界 遉 故 う 能性 あ 加え HEMT 接地 確
実 い 増幅回路 動作 安 宇 用 信 度
考え 出力増幅回路 用い 実装方法 用 い
Fig. 4-3(b) 用い 実装方法 あ TGF2023-05 供給
推奨 実装方法 あ Fig. 4-3(b) 断面 面 示
う 推奨 実装方法 CuMo 銅 ン
固 Au-20Sn 用い GaN
HEMT 固 形 方法 場 GaN HEMT 固
加熱 Au-20Sn 溶 形 実装 容易
特 Au-20Sn 融点 く 用い 実
装 方 本研究 提案 う 一体型 加熱 加熱 間 大幅 短縮
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GaN HEMT や 実装部品 影響 確実 減 示
用い 実装方法 比較 十 接地面積 確保 増幅回路 安 動作 期 熱伝 い 熱伝 率 CuMo 通 直接底面
熱 逃 利 あ 用い 実装方法 場
底面 間 各金属接触面 表面精度 底面 GaN
HEMT 熱抵抗 大 く変動 大気中 大 問題 い場 あ 真空中
接触面 精度 直接放熱能力 影響 宇 用 適 実装方法 考え く
い ッ 打 振動や 衝撃 固
能性 排除 い 本研究 推奨 実装方法 用 い
用い 実装方法 い 底面 接触 く
実装方法 放熱能力 問題 同様 熱 逃 場 無く HEMT 温度
限界 遉 故 う 容易 発生 う
本研究 Fig. 4-3(c) 示 う 凸型 加 底面 銅 熱伝 率
Sn-3.0Ag-0.5Cu 直接実装 手法 用 い 比較手法 挙
種類 実装方法 比較 放熱特性 優 出力動作 い HEMT
温度 昇 抑え 故 無く安 動作 能 GaN HEMT 実装
底面 銅 全体 加熱 い 用い 手法 実装
困 全体 型化 過 加熱 GaN HEMTや 実装部
品 影響 化 加え 部品 実装 序 各部品 許容温
度 加熱 避 い 実装 関 固 状態 ワ ン
ン 側壁 ワ ン 渉等 問題 発生 側壁部 固
式 等 施 い 底面 料 熱伝 率 Table
4-1 [4-2][4-3][4-4] Table 4-1 本研究 提案 実装方法 実装方法 優
熱伝 特性 持 定
(a) Mouting method using through hole
Bonding wire Substrate
GaN HEMT
Solder paste
Through hole Al case
Copper
Copper
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(b) Mounting method using subcarrier
(c) Proposed space applicable mounting method
Fig. 4-3 Comparison of mounting methods by cross-section view between mounting method using through hole, subcarrier and proposed space applicable method.
Table 4-1 Comparison of thermal conductivity of (a) solder paste includeing Sn-3.0Ag-0.5Cu, Au-20Sn, Sn-37Pb and Ag paste, and (b) base plate (case) including Cu, CuMo and Al.
(a) Solder paste
Sn-3.0Ag-0.5Cu Au-20Sn Sn-37Pb Ag paste
64 W/(m･K) 57 W/(m･K) 54 W/(m･K) 25 W/(m･K)
(b) Base plate (Case)
Cu CuMo Al
400 W/(m･K) 182 280 W/(m･K) 218 W/(m･K)
Sub carrier
(CuMo) Clincher
Solder paste (Au ‐ 20Sn)
Cu case Bonding wire
Au， φ 25um
Substrate (AD1000)
(Substrate thickness: 0.8mm) (Copper thickness:35um) GaN HEMT
Solder paste (Sn ‐ 3.0Ag ‐ 0.5Cu)
Copper
Copper
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3 実装方法 い 熱解析 通 温度 比較
部 相当 い 20*20.9*10 mm 仮 底面 熱伝 差 比
較 ン ン ワ 放熱 い 考慮 い 各実装方法 解析 構成
解析結果 Fig. 4-4 示 Fig. 4-4(a) 示 う 用い 実装方法
20*0.9*0.8 mm AD1000 基板 1.442*0.9*0.038 mm Au-20Sn
1.442*0.824*0.1 mm GaN on SiC HEMT いう層構成 い AD1000 基
板 GaN on SiC HEMT 面 直 0.2 mm 15本配置 基板 面
面 銅箔 接続 い Fig. 4-4(b) 示 う 用い 実装方法
20*0.9*0.71 mm CuMo 1.442*0.9*0.038 mm
Au-20Sn 1.442*0.824*0.1 mm GaN on SiC HEMT いう層構成
い 各実装方法 同条件 解析 固 部等
再現 い い Fig. 4-4(c) 示 う 提案手法 凸型 加 銅
20*0.9*0.71 mm 突起部 1.442*0.9*0.038 mm Sn-3.0Ag-0.5Cu
1.442*0.824*0.1 mm GaN on SiC HEMT 配置 層構成 い 各構成要素 密度 熱
伝 率 比熱 値 Table 4-2 示 通 あ Fig. 4-4 各 い GaN on SiC
HEMT 面 20 W 熱源 仮 温度 ッ 表現 い 結果 比
較 AD1000 熱伝 率 0.81 W/(K･m) い 用い 実装方法
い 底面 GaN on SiC HEMT 間 温度差 生 い
用い 実装方法 提案手法 い Al CuMo Au-20Sn 熱伝 率 比較 Cu
Sn-3.0Ag-0.5Cu 熱伝 率 い 提案手法 温度 わ 優 結果 示 い
い 解析 い 底面 GaN on SiC HEMT 間 温度差
用い 実装方法 比較 く い 本解析 各層構成 接触部 理想
状態 い 用い 手法 提案手法 間 大 差異 見 い
示 う 接触面精度 影響 宇 空間 う 真空状態 顕著 放熱特性 影響 え 理想的 面精度 実加 い 実現 困 あ 部 影
響 無視 い ッ 打 振動 衝撃 接触面積 影響 能
性 あ 等 考え 宇 用 実装方法 提案手法 適 言え 評価 章 宇 環境耐性評価 い 細 記載
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(a) Mouting method using through hole. Left side shows overall view and right side shows cross-section view.
(b) Mounting method using subcarrier. Left side shows overall view and right side shows cross-section view.
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(c) Proposed space applicable mounting method. Left side shows overall view and right side shows cross-section view.
Fig. 4-4 Comparison of mounting methods by thermal analysis between mounting method using through hole, subcarrier and proposed space applicable method under the assumption that GaN on SiC HEMT is 20-W heat source.
Table 4-2 Density, thermal conductivity and heat capacity of the materials (Cu, CuMo, Al, Au-20Sn, Sn-3.0Ag-0.5Cu, AD1000, GaN and SiC) used in thermal analysis
Density [kg/m3]
Thermal conductivity [W/(K･m)]
Heat capacity [kJ/(K･kg)]
Cu 8930 400 0.39
CuMo 9700 280 0.301
Al 2700 218 0.9
Au-20Sn 14510 57 0.15
Sn-3.0Ag-0.5Cu 7400 64 0.234
AD1000 3200 0.81 0.7
GaN 6150 210 0.49
SiC 3200 370 0.69
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4－2
定 宇 用電力増幅回路評価 4－2－1定 基本性能評価定 作製 宇 用電力増幅回路 電気特性 評価 信 特性 入出力特性 CW連続動作 相雑音特性 評価 Fig. 4-5 信 特性 入出力特性 相雑音特性 各々 測
系 ッ 示 信 特性 VNA 用い 測 GaN HEMT ン電 28 V
電 -3.5 V 供給 入力電力-20 dBm 周波数特性 得 Fig. 4-6 信 特性
評価結果 示 同 設計値 実測値 各々示 い 測 S 8.2-8.6
GHz 周波数帯域 入出力 射特性 -10 dB 示 信 利得 同様 周波数帯域 10
dB い 設計値 実測値 比較 周波数 や 値
差 生 い 実測値 設計値 同等 振 舞い い 言え 入出力特性 評価結果 示 入出力特性 Fig. 4-5(b) 示 う 信 源 周波信
ン 増幅 測 象 宇 用電力増幅回路 前 信
測 信 源 信 ン電流値 測
効率 算出 行 い 入出力特性 関 信 特性 同様 ン 電 28 V 電 -3.5 V 条件 GaN HEMT 動作 8.4 GHz 8.425 GHz 8.45 GHz 各々 周波数 CW信 入出力特性 Fig. 4-7 Table 4-3 Fig. 4-7(a)
3 周波数 測 結果 示 Fig. 4-7(b) 8.4 GHz 測 値 構築 非線
形 用い 大信 設計値 比較 示 い Table 4-3 各周波数
利得 P1dB 1 dB compression point：1 dB利得 縮点 P3dB 3 dB compression point：3
dB 利得 縮点 大出力 大効率 測 値 設計値 比較 あ
結果 設計値 測 値 間 1.7 dB程度 利得差 生 大出力 設計値 測 値
差 0.3 0.6 dB 大効率 0.1 4.4% 差 出 行 構
築 非線形 用い 大信 関 誤差 実測値 設計値 同等
振 舞い 示 い 言え 結果的 作製 増幅回路 8.4 GHz い 大出力
42.6 dBm 大PAE 47.3% いう良好 特性 得 常温大気中 CW連続動作
特性 温度制御 ン 飽和出力連続動作 300 間実施 入
力電力 出力電力 利得 ン電流 PAE Fig. 4-8 示 300 間 連続動作 い
出力変動 0.1 dB程度 安 動作 実現 い 特
深宇 通信 い 要 信 純度 関 相雑音特性 測 結果 い 示 Fig.
4-5(c) 示 う 水素 超 安 10 MHz 基準信 信 源 相雑音測 器
供給 信 源 周波信 ン 増幅 測 象 宇 用電力増
幅回路 通 増幅 信 ッ 相雑音測 器 評価 ン電
28 V 電 -3.5 V 供給 い Fig. 4-9 信 源 特性 比較 形 測
相雑音特性 示 同 水素 利用 得 -50 dBc/Hz @1 Hz -68 dBc/Hz @10 Hz -76 dBc/Hz @100 Hz -82 dBc/Hz @1 kHz いう優 信 源 信 純度
劣化 く 望 電力 増幅 能 あ 確 GaN HEMT
用い 宇 用電力増幅回路 深宇 用途 適用 能 あ 言え
示 結果 Fig. 4-10 示 う 関連 近 GaN 用い 電力増幅回路
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出力や効率 比較 場 調波処理 施 い いCW動作 増幅回路 世界 成果 あ 本研究 出力 効率 結果 PW動作 逆F級 調波処理 施 成果 あ
(a) Small signal measurement system
(b) Input-output characteristics measurement system
(c) Phase noise characteristics measurement system
Fig. 4-5 Block diagram of measurement systems, (a) small signal characteristics, (b) input-output characteristics and (c) phase noise characteristics. In each figure, DUT means device undere tested, CPL means coupler, ISO means isolator and ATT means attenuator.
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Fig. 4-6 Magnitude of S-parameters versus operation frequency with respect to the X-band, 20-W, space-use amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05) by comparing measurement data (solid line) and simulation (design) data (dotted line) under the condition of Vd=28 V and Idset=0.5 A.
(a) Measurement results