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B、多层级散热单元C和高可靠智能管控单元D，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B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。