由于品質因數更好1，氮化鎵等寬禁帶半導體可提供比硅更高的功率密度，占用的裸片面積更小，因此所需的封裝尺寸也更小。假設器件占用的面積是決定散熱性能的主要因素，那么也就可以假設降低功率器件尺寸會導致更高的熱阻3,4。本文將演示芯片級封裝(CSP)GaN FET提供的散熱性能為什么至少能與硅MOSFET相當，甚至更勝一籌。GaN FET由于其卓越的電氣性能，尺寸可以減小，從而能在不違背溫度限制的同時提高功率密度。本文還將通過PCB布局的詳細3D有限元仿真對這種行為進行展示，同時還會提供實驗驗證，對分析提供支持。閱讀原文請點擊這里2。
功率器件的散熱管理
電力電子市場需要越來越小、越來越高效和越來越可靠的器件。滿足這些嚴格要求的關鍵因素是高功率密度(能夠減少解決方案的占板面積和成本)和出色的散熱管理(能夠控制器件溫度)。功率半導體散熱管理系統的三個主要要求如下：
- 熱量應能以足夠低的熱阻從器件傳導到周圍環境，從而防止結溫(TJ)升高超過規定限值。由于降額系數，TJ通常低于數據手冊中的值。
- 電源電路與周圍環境之間應提供電氣隔離。
- 由材料熱膨脹系數不匹配引起的熱致機械應力應被吸收。
最常見的功率器件散熱管理系統如圖1所示。它包括一個散熱器(將熱量從功率半導體傳遞到周圍環境)和一個電絕緣體(熱界面材料，TIM)，電絕緣體用于將金屬散熱器從半導體結分隔開。由于大多數介電材料的導熱率較低，因此需要在電氣隔離和熱阻之間進行權衡。
圖1：最常見的CSP GaN FET散熱管理系統。
在實際系統中，功率器件通常采用由多個金屬層和電介質層所組成的封裝，并安裝在也包括多個金屬層和電介質層的PCB上。該組件上還連接有散熱器，因此就非常復雜。盡管SMD元器件的廣泛使用和封裝尺寸的減小使散熱管理變得越來越復雜，但由于采用了寬禁帶半導體，現在可以在具有高性價比的電源轉換器解決方案中輕松實現2kW/in.3的功率密度5。
采用CSP封裝、包括鈍化裸片和焊球或焊條的GaN FET的推出，使散熱管理變得更加復雜，但也使性能、可靠性和成本獲得了立即提高。圖2顯示了基于EPC2059 CSP GaN FET的半橋，其裸片尺寸為2.8mm×1.4mm。圖像的右側顯示了帶有焊條的PCB底部。
圖2：標準PCB上的EPC2059 CSP GaN FET。
盡管GaN FET降低的損耗足以確保在某些應用中進行適當的散熱管理，但大功率轉換器仍需要基于散熱器的解決方案(如圖1所示)。
散熱分析
安裝有散熱器的PCB和FET的橫截面如圖3所示。熱量可以通過多種途徑流動：它可以從裸片頂部流出，從裸片的四個側面流出，然后通過PCB銅箔，將熱量散布到TIM和散熱器。盡管與半導體芯片相比，TIM通常具有相對較低的熱導率，但最后的散熱路徑仍然很重要。
圖3：從器件到散熱器的多條熱流路徑。
圖4顯示了用于FEM分析的系統簡化模型，而圖5顯示了基于EPC2059的FET模型。
圖4：仿真模型視圖。
圖5：仿真溫度曲線。
仿真基于三個參數：FET頂部與散熱器底部表面之間的距離、TIM的熱導率，以及所應用的TIM的半徑。仿真結果如圖6和圖7所示——在圖6中，從FET結到散熱器表面的熱阻值Rθ,JS隨TIM直徑而變化，而在圖7中，Rθ,JS則隨TIM圓柱體圓形橫截面的面積而變化。
圖6：Rθ,JS預測值隨TIM直徑的變化。
圖7：Rθ,JS預測值隨TIM面積的變化。
圖6的曲線顯示，低kTIM材料的峰值和平均值之間的差異更大，這表明大部分熱量會通過器件底部的焊條流出。
應該注意的是，圖7中的曲線顯示在4到5mm直徑之間有一個拐點，而在8mm以上，Rθ,JS沒有進一步增加。因此，對于kTIM=10W/mK的情況，主要好處發生在TIM面積約為20mm2以下；對于kTIM=3.5W/mK，則出現在TIM面積為30mm2以下。當裸片到散熱器的間隙減小時，拐點向左移動，Rθ,JS值減小。
實驗結果
實驗裝置基于的PCB與散熱模型所用的相同，如圖8所示。一個熱電偶放置在銅散熱器中心鉆出的小孔中，而第二個熱電偶則安裝在散熱器的另一面上。
圖8：測試PCB。
此處使用了開爾文連接測量高壓降。知道了這一點和提供的電流，就可以準確測量FET有源區的功耗。為了測量GaN FET結溫，此處使用了低熔點焊料將帶有美規36號絕緣引線的K型熱電偶與FET底部接觸起來。
圖9中的表格將測量結果與仿真模型產生的峰值和平均值進行了比較。對于kTIM=3.5W/mK，實測結果和仿真值非常相似。然而，對于kTIM=10W/mK，誤差明顯更高。進一步的分析表明，這個誤差部分是由于在仿真中沒有考慮阻焊層所致，因為這會隨著kTIM的增加而產生越來越大的影響。
圖9：熱阻測量值和仿真值之間的比較。
參考文獻
1Lidow et al. (2020). GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Third Edition. Wiley.
3de Rooij et al. (2018). “High Performance Thermal Solution for High Power eGaN FET Based Power Converters.” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe), pp.?944–950.
4Sawle et al. (2001). “DirectFETTM – A Proprietary New Source Mounted Power Package for Board Mounted Power.” Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM).
5Monolithic Power Systems. (2020). MPC1100A-54-0000 Datasheet, Rev. 1.1.
（原文刊登于EDN姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：Simple and Performant Thermal Management Solution for CSP GaN FETs，由Franklin Zhao編譯。）
本文為《電子技術設計》2022年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
-
微信掃一掃
一鍵轉發 -
最前沿的電子設計資訊
請關注“電子技術設計微信公眾號”
- 一種用于電路板回收的新基材：遇水能溶 英國的Jiva?Materials公司開發了一種新型的PCB基材Soluboard，這種基材是由天然纖維包裹在一種無鹵的聚合物中制成的，與行業內經常使用的FR-4基材不同，這種材料只要在90攝氏度左右的熱水中浸泡30分鐘，就可以分層溶解···
- 點燃倍頻紫外激光，中國創制世界首例全波段相位匹配晶體 日前，中國科學院新疆理化技術研究所成功創制一種新型非線性光學晶體——全波段相位匹配晶體，成為目前世界上首例實現全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外倍頻晶體材料。
- 空中客車公司和意法半導體合作研發功率電子器件，助力飛 雙方將合作研發先進功率半導體技術，推動航空業向混動和純電動系統轉型；合作研發的半導體器件將助力未來的混動直升機、飛機、以及空客的ZEROe（零排放飛機計劃）和CityAirbus NextGen（下一代城市空中客車）中發揮重要作用
- 氮化鎵半導體：你所不知道的“進化史” 就在幾年前，GaN還被認為是一種無用的半導體，這主要是因為GaN是一種非常不完美的晶體。因此，科學家和工程師克服了重重困難，才使GaN可用于各種應用。本文將介紹GaN技術的起源，讓我們來先睹為快。
- 最大限度地提高SiC?MOSFET性能 在高功率應用中，碳化硅(SiC)MOSFET與硅(Si)IGBT相比具有多項優勢。其中包括更低的傳導和開關損耗以及更好的高溫性能。
- 新興技術將如何推動嵌入式物聯網連接的未來？ 許多技術，如5G、機器學習、邊緣計算、更快更高效的處理器以及低功率廣域網絡(LPWAN)正在推動嵌入式物聯網連接的未來。這些技術使這些智能設備能夠廣泛應用于游戲、國防、醫療保健、制造和供應鏈等各個行業。?
- 泰克推出基于示波器的雙脈沖測試解決方案，加快SiC和GaN 泰克科技公司日前宣布，推出最新雙脈沖測試解決方案?(WBG-DPT解決方案)。
- 電力電子科學筆記：半導體器件中的噪聲 檢驗功率半導體器件中的各種噪聲源，例如熱噪聲和散粒噪聲。
- Vishay推出厚膜功率電阻器，可選配NTC熱敏電阻和PC-TIM 器件通過AEC-Q200認證，采用SOT-227小型封裝，可直接安裝在散熱器上，具有高脈沖處理能力，功率耗散達120W
- 賓夕法尼亞州立大學與安森美簽署諒解備忘錄以推動碳化 賓夕法尼亞州立大學與安森美宣布雙方簽署了一份諒解備忘錄 (MOU)，旨在開展一項總額達 800 萬美元的戰略合作，其中包括在賓夕法尼亞州立大學材料研究所 (MRI) 開設安森美碳化硅晶體中心 (SiC3)。
- 適用于廣泛功率轉換應用的功率GaN器件可靠性測試 在本文中，我們將重點關注如何驗證GaN可靠性并重點介紹來自GaN器件的可靠性數據。
- CMOS PA，二十載風雨浮沉往事 過去20多年，CMOS?PA技術競爭可謂“激蕩回腸”，一些參與者消弭無跡，一些參與者卻在科技巨頭兼并整合之下悄然成長。過去十年，一些中國本土PA企業也涉入CMOS?PA，扎根技術研發，取得了一定的進展，甚至在一些細分領域已有趕超全球先進水平之勢。如今看來，伴隨物聯網蓬勃而來，CMOS?PA在未來十年內仍將是芯片工藝技術針對性能和成本的最佳選擇。
- 激發未來小小女工程師對STEM課程的興趣，對工程界至關重要 泰克科技組合軟件總經理Rick?Khulman:?“激發孩子們——尤其是女孩們對STEM的興趣，對我本人乃至廣大工程界
- 數據閉環——自動駕駛下半場的“入場券” 自動駕駛戰爭的上半場拼的是硬件和算法，下半場拼的則是數據和將數據點石成金的能力，即數據閉環能力。
- Nothing Ear（2）真無線降噪耳機拆解 在2023年3月，Nothing正式發布了全新迭代產品——Nothing Ear（2）真無線降噪耳機，在外觀方面延續了家族式的透明元
- 小米Sound Move智能音箱拆解 Xiaomi Sound Move搭載4單元，采用雙對稱立體聲學結構設計，通過高解析力雙揚聲器和雙被動輻射器，經由小米聲學金
- 射頻傳輸線基礎 今天大家一起學習一下射頻傳輸線基礎這篇講義
- 奔馳半年成績單：讓賺錢變得更優雅！ 2023年上半年，梅賽德斯-奔馳集團呈現出強勁的財務表現和業務增長。本文詳述各方面的具體表現。
- 自動駕駛對動力系統的影響 7月13日，由中國汽車工程學會、青島市工業和信息化局主辦，中汽翰思管理咨詢公司協辦的第十五屆汽車動力系統技
- 紅配綠，黑與白？什么樣的配色才能俘獲審稿人的芳心？ 好的科研繪圖配色令人印象深刻，也能更準確地傳遞數據信息，今天小編就帶大家看一下怎樣去選擇最適合自己數據，能
- AP AUTOSAR設計思想及原理 本文給大家分享一下在 AP AUTOSAR 里面我們怎么樣去做一個設計，整個 AP 的設計思想及原理。
- 多合一電驅動系統設計和挑戰 7月13日，由中國汽車工程學會等主辦的第十五屆汽車動力系統技術年會（TMC2023）在青島舉行。會上許多公司展示了引
- 電動化降價，智能化收費：未來汽車的雙重變革 從2023年開始，價格戰的陰影一直籠罩在汽車行業上面，“卷”是進行時，但是怎么”卷”出來是所有人考慮的問題。
- 寶華韋健TWS耳機PI7 S2評測 全新一代 Pi7 S2 的體驗如何？耳機在保持上代經典「英倫風」的同時，又能帶來哪些新體驗呢？下面，就讓我愛音頻網帶
- 瑞薩電子MCU和MPU產品線將支持Microsoft?Visual?Studio?Code 客戶現可以在VS?Code中設計和調試瑞薩嵌入式處理器的軟件，與瑞薩自有e2?Studio?IDE相輔相成
- 逐點半導體IRX游戲體驗品牌正式上線 從移動視覺處理方案到特定游戲調優，推動手游體驗邁向新的征程
- 大聯大世平集團推出基于onsemi產品的電動汽車（EV）充電樁方案 大聯大控股宣布，其旗下世平推出基于安森美（onsemi）NTBG022N120M3S和NCD57084產品的電動汽車（EV）充電樁方案。
- 意法半導體發布創新紅外傳感器，提升樓宇自動化的人員存在和移動檢 帶有微加工熱敏晶體管的高集成度、超低功耗傳感器可取代傳統的被動紅外探測器
- 比科奇介紹其打造更加智能移動通信基礎設施新愿景 比科奇在MWC上海世界移動通信大會期間介紹了其在引入人工智能（AI）等技術打造更加智能的移動通信基礎設施方向
- WiSA E開發套件開始向全球發貨，旨在統一非Sonos音頻市場 面向中國、韓國、日本和美國的各大品牌發貨
- 安森美和麥格納簽署戰略合作協議，投資碳化硅生產以滿足日益增長的 麥格納將在其主驅逆變器方案中集成安森美的EliteSiC以增加電動汽車的續航里程和能效
- 小尺寸大功率Harwin連接器子系列可從360°?EMC后殼中受益 Harwin公司宣布其Kona大功率連接器子系列現已推出帶后殼的產品。
- Arm 擴大開源合作伙伴關系，加強投入開放協作 Arm 和我們的生態系統的關鍵信念之一是與開源社區合作，共創一個高度發達的 Arm 架構，使軟件的落地更加穩定，從
- WiSA推出兩款功能強大的新工具，用于實現、管理和測試WiSA技術支持 新工具可為客戶提供全面支持，助其開發和制造采用WiSA E和WiSA DS設計、用于多聲道音頻的產品
- 艾邁斯歐司朗推出智能多像素EVIYOS?2.0?LED，適用于高精度自適應 EVIYOS?2.0具備高分辨率、完全防眩智能遠光功能，在遠光模式下自動降低眩光；EVIYOS?2.0將圖像和安全警示投射
- 全新Arm IP Explorer平臺助力SoC架構師與設計廠商加速IP選擇 Arm推出全新Arm IP Explorer平臺
