בעשור האחרון, מדע החומרי שינה באופן יסודי את הנוף של אלקטרוניקה בעוצמה גבוהה, המספק רווחים חסרי תקדים במערכות עמידות וביצועים של מרכיבי כוח מגבר כוח.ההתקדמות הזו אינה רק מצטברת; הם מייצגים שינוי פרדיגמטי עבור תעשיות תלויות במערכות עמידות גבוהה - תשתיות תקשורת, שידור, חלל והגנה, חימום תעשייתי.

הבנה של כוח מגבירים ואתגרי יכולת החיים שלהם

מגברי חשמל הם מעגלים חיוניים המגבירים את האמרה של אות קלט, המאפשרים לו לנהוג עומסים בעוצמה גבוהה כגון אנטנה, טרנסנפורים, או אלמנטים חימום. ברדיציה רדיו (RF) ויישומים מיקרוגל, הם הלב של משדרים עבור תקלות בסיס סלולרי, תקשורת לווינית, ו מכ"ם הליבה של כל מגבר כוח כולל (בדרך כלל שדה גמישים או מגבת), עם רכיבי מערכת קירור קריטיים (בדרך כלל) עם מומנטום (בדרך כלל), לחץ דם פעילים), עם רכיבי מערכת גמישים).

(הכשלים המקובלים במגברי חשמל נופלים בדרך כלל לשלוש קטגוריות:0.0. [0] השפלה נוספת בעוצמתיות (למשל, עייפות משותפת מכרה, התמוטטות תחמוצת מרכיבי חום), FLT:2 Electrical StressFLT 3:2electrical Stress FLT3 (למשל, התמוטטות חשמלית, אלקטרומפלקסים ברקמות מתכת), ו-F המסורתית:2 מגנטית (למשל, מתחים) של חומרים מסוכנים, כמו סיליקון, חומרים מסוכנים, כגון סיליקון, חומרים מסוכנים, חומרים ממתכתיים (עופרת סטנדרטיים).

חדשנות מדעית חומרית שגורמת לעוצמה להגביר את יכולתה

ההתקדמות האחרונה בהנדסה חומרים יצרה חומרים עם תכונות גבוהות דרמטי.התתתות הבאות מפרטות את החידושים המשפיעים ביותר.

High טמפרture Ceramics עבור substrates ו-Hick Sinks

חומרים קרמיקה כגון FLT:0 (אלנמינומטרד) (AlN) סדקים 1Fua (FLT:2silicon carbide (SiC) ניטריד 3) הפכו הכרחיים במודולים מגבר גבוה (AlN) מציע התנהגות תרמית גבוהה כמו 170-200 W-mK - ניתן להשוות באופן יעיל למתחים שנותרו באופן יעיל יותר, בעוד שלעתים קרובות יותר מ- 200 ליטרים חשמליים.

מעבר substrates, קרמיקה מתקדמת משמשים מבחינה היסטורית בשקעי חום ו resonators dielectric.לדוגמה, beryllium oxide (BeO) שימשה היסטורית אבל הוחלפו בעיקר על ידי חלופות בטוחות יותר כמו AlN עקב חששות רעילות.האמינות מרוויחה מניהול תרמי מבוסס קרמיקה בולט במיוחד בציוד תקשורת חיצוני, שבו טמפרטורות מתוחכמות באופן נרחב.

ראשי > ההרחבה הרחבה-Bandgap Semiconductors: GaN & SiC

אולי החומרים המשתנים ביותר היו רחבים (WBG) מוליכים למחצה, במיוחד (FLT:0gallium nitride) ; GaN)veFLT:1 ו-FLT:2silicon carbide (SiC)FLT 3: 3 .

  • (FLT:0) התמוטטות מתח: 1FLT:1 GaN ו- SiC מכשירים יכולים לפעול במתחים של קוד ניקוז גבוה יותר (600 V ומעל SiC, 650 V עבור GaN-on-Si) ללא התמוטטות של אלבאנצ'ה, צמצום הצורך באמצעים רבי-עוצמה.
  • (FLT:0) מוליאור מוליכות תרמית: FLT:1 ; מוליכות תרמית של SiC (-350 W/mK) היא מעל שלוש פעמים של סיליקון, ומאפשר חום להיות מתפזר מהר יותר מהאזור הפעיל.
  • (FLT:0) טמפרטורה הפעלה גבוהה יותר: 1FLT:1 GaN גבוה אלקטרונים-Mobility טרנזיסטורים (HEMTs) יכול לפעול באופן אמין בטמפרטורות צומת עד 200 מעלות צלזיוס (ומעבר להגדרות מחקר), בעוד שתקני סיליקון מתפוגג במהירות מעל 150 מעלות צלזיוס.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תכונות אלה מאפשרות ל- WBG מבוססי כוח להעצים את כוח התפוקה גבוה יותר בחבילות קטנות יותר, עם דרישות קירור מופחתות.נתוני שדה מתחנות בסיס 4G/5G מראים כי מגברי כוח GaN יכולים להשיג נתוני MTBF כמה פעמים גבוה יותר מאשר סיליקון LDMOS (בטווח כפול של מתכת-פחמימולקולנוע) מכשירים, במיוחד בראשי רדיו מרוחקים שבו טמפרטורות מטבוליות יכולות לעלות על 50 מעלות צלזיוס.

חומרים מתקדמים של ממשק TERRORSites

אפילו המוליכים למחצה הטובים ביותר למות הוא חסר תועלת אם חום לא יכול להיות מועבר ביעילות לסביבה הממוקדת.חדשנות בחומרי ממשק תרמיים (TIMs) סגרו את הפער הזה.FLT:0Graphene-enhanced greasesFLT:1 ו-FLT:2phase-change חומרים (PCMs) LT: עכשיו מציעים טמפרטורות תרמיות עבור סיליקון / סיליקון-R.

(החומרים של כיור חום התפתחו גם הם.FLT:0Copper-diamond מרוכבים sveFLT:1, למשל, משלבים את מוליכות תרמית גבוהה של נחושת (~400 W/mK) עם CTE הנמוך של היהלום, יצירת חומר שניתן גם להיות מחובר ישירות לכוח גבוה מת ללא מתח.

השפעה על ספקטרום מיוחד

השילוב של חומרים מתקדמים הרחיב את החיים של כל מרכיב משפיע על כוח קריטי.התתת-התתת-התפיסות הבאות בוחנת את ההשפעות על טרנזירים, קפצואים ומערכות ניהול תרמיות.

Transistors and RF Power מכשירים

(השניים הם לב של המגבר, והם חווים את הדחיסות הנוכחיות הגבוהות ביותר, שדות חשמליים וטמפרטורות.עם טכנולוגיית GaN-on-SiC, חיי החיים החציוניים של טרנסיסטורים של כוח RF גדלו מ-20,000 שעות ל- סיליקון LDMOS (בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס) ליותר מ-15,000 שעות עבור GaN HEMT בתנאים דומים, על פי דיווחים מהירים של בדיקות חיים כגון:

יתר על כן, השימוש באריזה מתקדמת - כגון:0 Gold-tin מכרים של 1Fillo ו-FLT:2sintered silver DieנספחFLT 3 - ביטל את הכישלון המצומצם של מכרים רכים תחת רכיבה תרמית.

חומרים Capacitors ו Dielectric

(ב) קופים בעלי כוח חייבים להתמודד עם זרמי קרוע גבוה, תנודות מתח, וטמפרטורות.קיבולים אלקטרוליטיים מסורתיים מייבשי אלומיניום יבשים לאורך זמן, אבל קרמיקה וסרטים המבוססים על דיאלקטריים מתקדמים נשכו אותם בעיצובים רבים.FLT: 0 קלאסים 1 קרמיקה (C0G /0) מנוסחאות מתקדמות של רציפים נמוכים יותר (Ferta2) והפסדים קטנים יותר (Ferty) בטמפרטורות גבוהות יותר (C0G2)

עבור אחסון באנרגיה גבוהה בתעשיית החשמל, FLT:0 (FLT:0) סרט capacitorsphFLT 1 עם אלקטרודות מתכתיות הפכו לסטנדרט במגברי גמישות גבוהה. אלה capacitors self-heal לאחר התמוטטות דיאלקטרית קטנה, שחזור מאות שעות של פעולה כי היה הורס נייר אלקטרוליטי או קפירטור.

מערכות ניהול חום ומערכת ניהול תרמית

החומרים המשמשים בשקעי חום משפיעים ישירות על היכולת של המגבר לשמור על טמפרטורות הפעלה בטוחות. Vapor CellsveFLT:1 ו-FLT:2התחממות צינורות FLT:3 המשולבים בבסיסי נחושת או אלומיניום הפכו נפוצים במודולים בעוצמה גבוהה קומפקטית.

מערכות גדולות יותר, כגון משדרי שידור בעשרות קילווואט, עכשיו להשתמש ב-FLT:0liquid-cooled קר צלחות FLT:1 נעשה מ נחושת עם מבנים מיקרו-ערוציים.אלה יכולים לפרק כמה קילווואט של חום בחלל קטן יותר מאשר מחשב נייד.

יישומים אמיתיים ומקריות

השיפורים העמידות של התקדמות מדע החומר אינם תיאורטיים – הם ממוצבים כיום בסביבות תובעניות.

(FLT:0) תחנות בסיס תקשורת: FLT:1Build radio ראשי (RRHs) עבור 4G ו-5G רשתות לפעול בחוץ, לעתים קרובות במכלולים ללא קירור פעיל. RRHs מוקדם מבוסס סיליקון נתקלו בתעריפים גבוהים של כשל בשל לחץ תרמי הדור הנוכחי של GaN מבוסס RRHs, כגון אלה מ-FLT2NXP SemiconductorsFOVA: 3IM, יש עלייה של נתונים בטווח של 10.

(FLT:0) מערכות מכ"ם של מכ"ם:FLT:1 Active סריקות אלקטרונית (AESA) מכילות אלפי מודולים משדרים / קבלה (T/R) כל אחד עם מגבר כוח.כל מודול יחיד מקטין את ביצועי המערכת ודורש תיקון סיליקון יקר ברמת הפלט. למערכות מכ"ם הדור הבא של חיל הים האמריקאי מבוססים יותר ויותר על GaN/R כי היכולת שלהם לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר של מחזור חיים ו- 90 מעלות צלזיוס לאחר טמפרטורות גבוהות יותר.

(FLT:0) חימום אינדוקציה:FreaLT:1 בייצור, מגברי כוח מניעים סלילים לצמצום מתכת, התכה, ו brazing. יישומים אלה דורשים זרמים גבוהים מאוד ויכולים לכפוף רכיבים חוזרים מחזורים חוזרים מטמפרטורת החדר למאות מעלות בשניות.האימוץ של SiC MOSFs באספקת חשמל מחדירה איפשר להגדלת התדרים ל- 10%-iC ל-i-i-i-i-i-i-C פחות מ- 10 מעלות לפני פחות מ- 10 שנים.

כיוונים עתידיים וחומרים מתעוררים

בעוד שהחידושים הנוכחיים כבר שינו את התעשייה, מחקרים שוטפים מבטיחים עמידות גדולה יותר.חומרים מתעוררים אחדים צפויים להשפיע בעשור הבא.

(FLT:0)Nanomaterials:FLT:1 ננוtube פחמן (CNTs) ו-Granene ננובונס נחקרים עבור קישורים בין חבילות מגבר כוח.theoretly, CNTs יכול לשאת 1,000 × צפיפות הנוכחית של נחושת ללא מניפולציות אלקטרו-מדבקות.

החוקרים מאוניברסיטת אילינוי פיתחו מיקרו-capsules המשחררים את הסוכן העודף כאשר מופיעים סדקים במפרקים מוכרים או חומרים מתחת לתחתית.בעוד שבשלבים מעבדה, מנגנונים אלה של מנגנוני-העצמים יכולים להיות מוטבעים במודולים מגבריים לתיקון אוטונומי לפני שהם מפיץ באופן דרמטי את החיים או מנגנוני הנשימה.

(ב) [ה]החומרים: [ה] [ה] [ה]] [ה] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]]][ה]]]]] [ההההכיבויים [ה] [ה] [ה]] [הההההההתחבולעים] [ה]] [הת]] [הת]] [הת]]] [הת]] [התחכמה]]]] [התתתחילה] [ה] [ה[ה] [ה] [ה] [ה]]]] [ה] [ה]]] [ה]]]]]]] [ה] [ה[התחילה[ה]]] [ה]]]]]] [ה] [ה] [ה[ה]]] [ה]]]] [ה] [ה]]] [ה] [ה]]]] [ה[ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [ה[ה[

מסקנה: החשיבות האסטרטגית של התקדמות חומרית

השיפורים במידות של רכיב מגבר המונעים על ידי מדעי החומר אינם רק אבני דרך טכניות - הם מאפשרים אסטרטגי. החיים ארוכים יותר מתרגמים להורדת העלות הכוללת של הבעלות עבור מפעילי רשת, הפחתת הנטל הלוגיסטי עבור מערכות צבאיות, ולהגדיל את הזמן לתהליכים תעשייתיים.השינוי מסיליקון ועד מוליכים למחצה רחבים פסים כבר מתקדם, ואת התמיכה של קרמיקה, טיים, ואריזות מתקדמות הוא שמירה על קצב.

כביקוש לתדרים גבוהים יותר (5G mmWave, לווין אינטרנט), כוח גבוה יותר (טעינה לרכב חשמלי, דור פלזמה), ופעולה סביבתית קיצונית (חקירות חלל עמוק, ג'רמי קידוח) גדל, התפקיד של חומרים מחקר רק יהיה מרכזי יותר. ארגונים משקיעים הבנה ואימוץ החידושים האלה יהיה במיקום הטוב ביותר לבניית מגברי חשמל שאינם רק חזקים יותר, אלא גם אמין יותר על פני שנים של שימוש מתמשך.