适用于CSP GaN FET的简单且高性能的热管理解决方案

由于具有更好的品质因数，宽带隙 (WBG) 半导体（例如氮化镓 (GaN)）提供比硅更高的功率密度，占用的芯片面积更小，因此需要更小尺寸的封装。假设器件占用的面积是决定热性能的主要因素，那么可以合理地假设较小的功率器件会导致较高的热阻。本文将展示芯片级封装 (CSP) GaN FET 如何提供至少与硅 MOSFET 相同（如果不优于）的热性能。由于其卓越的电气性能，GaN FET 的尺寸可以减小，从而在尊重温度限制的同时提高功率密度。这种行为将通过 PCB 布局的详细 3D 有限元模拟来展示，同时还提供实验验证以支持分析。

功率器件的热管理

电力电子市场需要越来越小、更高效和更可靠的设备。满足这些严格要求的关键因素是高功率密度（能够减少解决方案的占地面积和成本）和出色的热管理（能够控制设备温度）。功率半导体热管理系统的三个主要要求如下：

1. 热量应以足够低的热阻从器件传导到周围环境，以防止结温 (T _J ) 升高超过规定限值。由于降额因素，T _J通常低于数据表中的值。

1. 电源电路与周围环境之间应提供电气隔离。

1. 由材料热膨胀系数不匹配引起的热致机械应力应被吸收。

功率器件最常见的热管理系统如图 1 所示。它包括一个散热器（将热量从功率半导体传递到周围环境）和一个电绝缘体（热界面材料，或 TIM），用于分隔金属散热器从半导体结。由于大多数介电材料的导热率较低，因此需要在电隔离和热阻之间进行权衡。

图 1：最常见的 CSP GaN FETS 热管理系统

In real systems, power devices often come in a package composed of multiple metal and dielectric layers and are mounted on PCBs that also comprise multiple layers of metal and dielectrics. The heatsink is attached to this assembly, making it quite complex.

审核编辑：刘清