中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0132-03

Research on Automotive RF Electronic Device Technology Based on GaAs Semiconductor

Ding Yuehang

（College of Scienceand Engineering，University of Glasgow，Glasgow，UK）

【Abstract】With therapid development of intellgent drivingand vehicle networking technologies，the demand for high-frequency，high-powerRFdevices inautomotive electronicsystemscontinues toescalate.Traditionalsilicon-based semiconductors face bottleneckssuch aslowcarrier mobilityand high thermallossesatmillimeter-wave frequencies， which limit the performance improvement of core modules likeon-board radar and V2X communication.Galliumarsenide （GaAs）materials，with their high electron mobilityand directbandgapcharacteristics，demonstrate significantadvantages in scenarios such as24 GHz/77GHz on-board radar and 5G-V2X communication modules.However，issuessuch as high-temperaturestability，multi-bandcompatibility，andcostcontrolstillconstraintheirlarge-scaleaplication. Therefore，this paper systematically investigates material propertyoptimization，circuit design methods，and system integration techniques forGaAssemiconductors inautomotiveRFelectronicdevices，aiming toestablishahighlyreliable andlow-power consumption design paradigm forautomotiveRFdevices and promote the inovative development of nextgeneration intelligent automotive electronic architectures.

【Key words】 GaAs；RF electronic devices；automotive electronics；semiconductor technology

汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性對(duì)器件提出了多重挑戰(zhàn)：高溫工作環(huán)境影響材料載流子遷移效率，多射頻模塊協(xié)同運(yùn)行加劇電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)雜振動(dòng)與濕度變化威脅封裝結(jié)構(gòu)完整性?，F(xiàn)有技術(shù)體系多聚焦消費(fèi)電子領(lǐng)域的器件開(kāi)發(fā)，針對(duì)汽車(chē)級(jí)環(huán)境適應(yīng)性與長(zhǎng)期可靠性的解決方案仍不完善。本文通過(guò)研究GaAs材料的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)機(jī)制，探索耐高溫射頻集成電路設(shè)計(jì)方法，并構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合的協(xié)同驗(yàn)證框架，致力于突破車(chē)載射頻器件的性能邊界，為下一代智能汽車(chē)電子架構(gòu)提供技術(shù)支撐。

1GaAs半導(dǎo)體材料與射頻器件基礎(chǔ)

1.1 GaAs材料特性

砷化鎵（GaAs）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)直接帶隙特性，顯著區(qū)別于硅的間接帶隙特征。這種特性使得GaAs在光電轉(zhuǎn)換效率與載流子遷移速率方面具有先天優(yōu)勢(shì)，電子飽和速度達(dá)到硅材料的5＼～7倍，為高頻信號(hào)處理奠定物理基礎(chǔ)。材料的熱導(dǎo)率與擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度協(xié)同作用，支持器件在高溫、高功率密度工況下的穩(wěn)定運(yùn)行2。表面態(tài)密度低的特點(diǎn)減少了界面復(fù)合效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)低噪聲射頻電路設(shè)計(jì)。寬禁帶的特性賦予器件優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙極端溫度波動(dòng)場(chǎng)景下仍能維持性能基線(xiàn)。

1.2 GaAs在射頻器件中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

GaAs半導(dǎo)體在汽車(chē)射頻電子領(lǐng)域的核心價(jià)值體現(xiàn)在高頻性能與能效的協(xié)同提升。載流子遷移率高使得器件截止頻率突破 300GHz ，滿(mǎn)足 77GHz 毫米波雷達(dá)對(duì)信號(hào)處理速率的嚴(yán)苛需求。異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支持高電子遷移率晶體管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）的實(shí)現(xiàn)，功率附加效率較硅基器件提升 40%～60% ，顯著降低車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的能耗水平]。

材料本征噪聲系數(shù)低的特性增強(qiáng)了接收鏈路靈敏度，在車(chē)聯(lián)網(wǎng)弱信號(hào)場(chǎng)景下仍可保障通信品質(zhì)?？馆椛涮匦蕴嵘诵l(wèi)星導(dǎo)航模塊在復(fù)雜電磁環(huán)境中的可靠性，寬禁帶特性則延長(zhǎng)了器件在高溫振動(dòng)復(fù)合應(yīng)力下的服役壽命。

1.3GaAs射頻器件的主要類(lèi)型

汽車(chē)電子領(lǐng)域主流GaAs射頻器件可分為三類(lèi)：功率放大器（PowerAmplifier，PA）模塊、低噪聲放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）模塊、射頻開(kāi)關(guān)（RFSwitch）模塊。功率放大器采用多級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，針對(duì)77GHz 車(chē)載雷達(dá)需求優(yōu)化負(fù)載牽引特性，實(shí)現(xiàn)峰值功率輸出與線(xiàn)性度的平衡。低噪聲放大器基于應(yīng)配高電子遷移率晶體管（PseudomorphicHEMT，PHEMT）技術(shù)，噪聲系數(shù)控制在1.5dB以下，保障毫米波雷達(dá)微弱回波信號(hào)的保真放大。射頻開(kāi)關(guān)模塊利用PIN二極管結(jié)構(gòu)，在 2.4GHz/5.9GHz 雙頻段車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)切換速度與60dB隔離度。集成化發(fā)展趨勢(shì)催生多功能前端模塊（Front-EndModule，F(xiàn)EM），將PA、LNA、濾波器集成于單一封裝，滿(mǎn)足車(chē)載系統(tǒng)小型化與輕量化需求。

2基于GaAs的汽車(chē)射頻器件設(shè)計(jì)

2.1 射頻接收器與發(fā)射器模塊設(shè)計(jì)

車(chē)載射頻模塊需在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收與高效率發(fā)射的雙重目標(biāo)。GaAs器件的特性為射頻前端設(shè)計(jì)帶來(lái)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但需解決多頻段兼容、溫度漂移抑制等工程難題。通過(guò)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法平衡性能參數(shù)，可滿(mǎn)足智能駕駛對(duì)雷達(dá)探測(cè)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的復(fù)合需求，見(jiàn)表1。

接收器設(shè)計(jì)的核心在于降低噪聲干擾，通過(guò)優(yōu)化晶體管結(jié)構(gòu)減少信號(hào)傳輸中的能量損耗，確保毫米波雷達(dá)對(duì)微弱回波信號(hào)的捕捉能力。發(fā)射器模塊采用新型放大器架構(gòu)，在提升輸出功率的同時(shí)平衡線(xiàn)性度與能耗，適應(yīng)車(chē)載雷達(dá)在脈沖調(diào)制場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)需求。收發(fā)一體化設(shè)計(jì)通過(guò)創(chuàng)新耦合器結(jié)構(gòu)增強(qiáng)端口隔離，有效抑制發(fā)射信號(hào)對(duì)接收通道的串?dāng)_問(wèn)題。頻率合成模塊集成微型化電路元件，優(yōu)化鎖相環(huán)設(shè)計(jì)以穩(wěn)定本振信號(hào)，滿(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)多自標(biāo)分辨的精度要求。整體設(shè)計(jì)通過(guò)多模塊協(xié)同優(yōu)化，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能射頻前端的功能整合，為復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠通信提供硬件基礎(chǔ)。

2.2集成電路封裝與熱管理

汽車(chē)級(jí)GaAs器件封裝需兼顧高頻性能與機(jī)械可靠性。3D系統(tǒng)級(jí)封裝（SysteminPakage，SIP）技術(shù)將裸片、被動(dòng)元件與天線(xiàn)集成于陶瓷基板，縮短射頻信號(hào)傳輸路徑的同時(shí)降低寄生效應(yīng)。熱管理采用梯度導(dǎo)熱材料體系，芯片底部配置金剛石薄膜層，通過(guò)熱通孔結(jié)構(gòu)將熱量快速導(dǎo)向金屬外殼。振動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)引入柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)，緩沖車(chē)輛行駛中的機(jī)械沖擊對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。密封工藝選用金錫共晶焊料，在 -40～150^°C 溫度循環(huán)測(cè)試中保持氣密性等級(jí)優(yōu)于 1×10^-8atm?cc/s 。這種復(fù)合封裝方案使器件在濕熱鹽霧環(huán)境中仍能維持穩(wěn)定的駐波比特性。

2.3射頻信號(hào)完整性與電磁兼容設(shè)計(jì)

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)需解決多物理場(chǎng)耦合帶來(lái)的性能劣化問(wèn)題。傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)采用共面波導(dǎo)與接地共面波導(dǎo)混合布局，在77GHz頻段實(shí)現(xiàn)插入損耗小于0.3dB/mm 的指標(biāo)。電源完整性方面，分布式退耦電容網(wǎng)絡(luò)配合電磁帶隙電源平面，將電源噪聲抑制在50mVp 以?xún)?nèi)。電磁兼容設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)用頻率捷變技術(shù)，當(dāng)檢測(cè)到相鄰頻段干擾時(shí)，自適應(yīng)調(diào)整本振頻率避開(kāi)擁堵信道。車(chē)載多天線(xiàn)系統(tǒng)的隔離度提升采用極化分集與空間分集結(jié)合策略，在有限車(chē)頂空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)天線(xiàn)的最小間距優(yōu)化。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)星形拓?fù)?，將不同模塊的接地回路阻抗差異控制在 20% 以?xún)?nèi)，有效降低共模干擾風(fēng)險(xiǎn)。

3 性能評(píng)估

3.1 評(píng)估指標(biāo)

科學(xué)評(píng)估GaAs射頻器件的性能需建立多維度的指標(biāo)體系，既要驗(yàn)證基礎(chǔ)電學(xué)特性，也要反映復(fù)雜車(chē)載環(huán)境下的可靠性。傳統(tǒng)指標(biāo)聚焦靜態(tài)參數(shù)測(cè)試，難以全面評(píng)估動(dòng)態(tài)工況與長(zhǎng)期服役的穩(wěn)定性。本文從功能性能、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期可靠性3個(gè)維度構(gòu)建評(píng)估框架，通過(guò)量化指標(biāo)揭示器件在實(shí)際應(yīng)用中的綜合表現(xiàn)，評(píng)估指標(biāo)設(shè)計(jì)需平衡性能與可靠性的雙重需求。評(píng)估指標(biāo)見(jiàn)表2。

工作頻率范圍的測(cè)試驗(yàn)證器件能否覆蓋車(chē)載雷達(dá)與通信系統(tǒng)的目標(biāo)頻段。高溫噪聲系數(shù)測(cè)試模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境，通過(guò)對(duì)比常溫與高溫?cái)?shù)據(jù)，評(píng)估材料載流子遷移率的穩(wěn)定性。振動(dòng)耐受性測(cè)試采用道路譜模擬實(shí)際行駛中的機(jī)械沖擊，暴露焊點(diǎn)疲勞、封裝裂紋等潛在風(fēng)險(xiǎn)。加速老化試驗(yàn)通過(guò)高溫高濕環(huán)境加速材料性能衰減，預(yù)測(cè)器件在十年服役周期內(nèi)的失效率。經(jīng)測(cè)試，部分器件在濕熱環(huán)境下駐波比顯著劣化，需優(yōu)化封裝密封工藝以降低濕氣滲透風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 研究設(shè)計(jì)

研究設(shè)計(jì)需構(gòu)建覆蓋全場(chǎng)景的測(cè)試驗(yàn)證體系。試驗(yàn)室測(cè)試階段采用高低溫交變箱模擬 -40～125^°C 的極端溫度循環(huán)，驗(yàn)證器件在冷啟動(dòng)與持續(xù)高溫工作下的性能穩(wěn)定性。振動(dòng)測(cè)試臺(tái)加載隨機(jī)振動(dòng)譜，復(fù)現(xiàn)不同路況的機(jī)械沖擊效應(yīng)。實(shí)車(chē)測(cè)試環(huán)節(jié)在封閉場(chǎng)地與開(kāi)放道路同步開(kāi)展，通過(guò)車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄器件在真實(shí)駕駛場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)參數(shù)。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組，將GaAs器件與硅基器件在相同工況下進(jìn)行性能衰減對(duì)比，量化材料優(yōu)勢(shì)。測(cè)試工具集成紅外熱成像儀與近場(chǎng)探頭，同步監(jiān)測(cè)器件溫升與電磁輻射特性，建立多物理場(chǎng)關(guān)聯(lián)模型。

3.3 對(duì)比分析

為量化不同技術(shù)方案的優(yōu)化效果，本研究對(duì)材料改進(jìn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、封裝升級(jí)三類(lèi)方案開(kāi)展對(duì)比測(cè)試。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

1）材料改進(jìn)方案在極端溫度下的功率穩(wěn)定性最優(yōu)（波動(dòng)率 ?8% ），但受貴金屬電極和復(fù)雜外延工藝影響，成本增幅高達(dá) 40% ，在 15g 振動(dòng)強(qiáng)度下性能衰減 12% ，且支持的頻段較少（3個(gè)）。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案通過(guò)分布式散熱設(shè)計(jì)和應(yīng)力緩沖層，高溫功率波動(dòng)率 ?8% ，在 20g 振動(dòng)強(qiáng)度下性能衰減僅 5% ，且支持頻段擴(kuò)展至5個(gè)，成本增幅控制在 15% ，成為多場(chǎng)景適配的優(yōu)選。

3）封裝升級(jí)方案成本增幅最低 （8% ）， 15g 加速度下衰減 10% ，但高溫功率波動(dòng)率（ 18% 接近失效閾值，僅建議用于非核心模塊， 15g 加速度下衰減10% ，且支持的頻段最少（2個(gè)）。

基于數(shù)據(jù)結(jié)論，推薦采用組合方案。 77GHz 毫米波雷達(dá)功率模塊采用材料改進(jìn)方案確保探測(cè)精度，V2X通信模塊應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)多頻段兼容，輔助電路模塊使用封裝升級(jí)方案控制成本。該策略使系統(tǒng)綜合成本降低 22% ，同時(shí)滿(mǎn)足IS016750-3車(chē)載環(huán)境可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

3.4性能優(yōu)化策略

在汽車(chē)射頻器件的實(shí)際應(yīng)用中，性能優(yōu)化需要兼顧技術(shù)先進(jìn)性與工程可行性。針對(duì)GaAs器件的特性，提出分模塊差異化優(yōu)化思路。對(duì)于直接影響車(chē)輛安全的核心模塊，重點(diǎn)優(yōu)化材料的熱穩(wěn)定性，通過(guò)改進(jìn)半導(dǎo)體材料的微觀結(jié)構(gòu)，提升其在發(fā)動(dòng)機(jī)艙高溫環(huán)境下的信號(hào)輸出穩(wěn)定性；易受機(jī)械振動(dòng)的射頻前端模塊，采用彈性電路布局與應(yīng)力緩沖設(shè)計(jì)，降低車(chē)輛行駛顛簸對(duì)信號(hào)完整性的干擾；對(duì)于輔助性功能模塊，選用經(jīng)濟(jì)型封裝方案，通過(guò)簡(jiǎn)化工藝降低成本。此外，引入動(dòng)態(tài)可調(diào)技術(shù)，通過(guò)軟件算法實(shí)時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，使單一硬件平臺(tái)能夠自適應(yīng)支持不同通信頻段需求，避免因標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)導(dǎo)致的重復(fù)設(shè)計(jì)。

4結(jié)論

本研究系統(tǒng)構(gòu)建了基于GaAs半導(dǎo)體的汽車(chē)射頻電子器件技術(shù)體系，提出通過(guò)材料特性?xún)?yōu)化與多維度協(xié)同設(shè)計(jì)方法，可顯著提升車(chē)載射頻器件在毫米波雷達(dá)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信場(chǎng)景中的綜合性能。材料層面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)增強(qiáng)了器件在極端溫度下的工作穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效抑制了多頻段信號(hào)干擾，封裝技術(shù)的改進(jìn)大幅延長(zhǎng)了器件在振動(dòng)與濕熱環(huán)境中的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]李健文，梁文斯鈺，朱昊天，等.基于 InAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)的8摻雜磁半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的電子自旋輸運(yùn)[J]宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，45（6）：36-40，101.

[2]周思宏.Al/GaAs超構(gòu)材料熱電子探測(cè)光/電學(xué)特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

[3]趙巖，程偉，吳立樞，等.基于外延層轉(zhuǎn)移的GaAsPIN與Si異構(gòu)集成技術(shù)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2014，34（2）：201.

[4]邵賢杰，陸海，張榮，等.GaN轉(zhuǎn)移電子器件的性能與基本設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008（12）：2389-2392.

（編輯楊凱麟）