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，氮化镓等1宽禁带半导体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： 

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。 

电源电路与周围环境之间应提供电气隔离。 

由材料热膨胀系数不匹配引起的热致机械应力应被吸收。 

最常见的功率器件热管理系统如图 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 

在实际系统中，功率器件通常采用由多个金属和电介质层组成的封装，并安装在还包括多层金属和电介质的 PCB 上。散热器连接到该组件，使其非常复杂。尽管 SMD 组件的广泛使用和封装尺寸的减小使热管理变得越来越复杂，但由于宽带隙半导体，现在可以轻松实现 2 kW/in 的功率密度。3在具有成本效益的电源转换器解决方案。

GaN FET 的推出采用 CSP 封装，包括带有焊料凸块或焊条的钝化管芯，使热管理更加复杂，但也立即提高了性能、可靠性和成本。图 2 显示了基于 EPC2059 CSP GaN FET 的半桥，裸片尺寸为 2.8 × 1.4 mm。图像的右侧显示了带有焊条的 PCB 底部。 

图 2：标准 PCB 上的 EPC2059 CSP GaN FET 

尽管 GaN FET 降低的损耗足以确保在某些应用中进行适当的热管理，但大功率转换器仍需要基于散热器的解决方案（如图 1 所示）。 

热分析

图 3 显示了安装有散热器的 PCB 和 FET 的横截面。热量可以通过多种途径：它可以从芯片顶部流出，从芯片的四个侧面流出，并通过PCB 铜，将热量散布到 TIM 和散热器。尽管与半导体芯片相比，TIM 通常具有相对较低的热导率，但最后的热路径仍然很重要。 

图 3：从器件到散热器的多条热流路径 

图 4 显示了用于 FEM 分析的系统简化模型，而图 5 显示了基于 EPC2059 的 FET 模型。 

图 4：仿真模型视图 

图 5：模拟温度曲线 

仿真基于三个参数：FET 顶部与散热器底部表面之间的距离、TIM 的热导率以及所应用的 TIM 的半径。仿真结果如图 6 所示，从 FET 结到散热器表面的热阻值是 TIM 直径的函数，在图 7 中，其中 R θ,JS现在是圆形十字面积的函数-TIM 圆柱体的截面。 
 

图 6：预测的 R θ,JS作为 TIM 直径的函数 

图 7：预测的 R θ,JS作为 TIM 面积的函数 

图 6 的曲线显示，低 k TIM材料的峰值和平均值之间的差异 更大，这表明大部分热量通过组件底部的焊条流出。 

应该注意的是，图 7 中的曲线显示了 4 到 5 毫米直径之间的拐点，在 8 毫米以上，R θ,JS没有进一步增加。因此，对于 k TIM = 10 W/mK 和 30 mm 2（对于 k TIM = 3.5 W/mK）的 TIM 面积低于约 20 mm 2时，主要优势出现。当芯片到散热器的间隙减小时，拐点向左移动，R θ,JS值减小。 

实验结果

实验装置基于用于热模型的同一 PCB，如图 8 所示。热电偶放置在铜散热器中心钻出的小孔中，而第二个热电偶安装在散热片的另一面吊具。 

图 8：测试 PCB 

开尔文连接用于测量高压降。知道了这一点和提供的电流，就可以准确测量 FET 有源区的功耗。为了测量 GaN FET 结温，使用低熔点焊料将带有 36-AWG 绝缘引线的 K 型热电偶与 FET 底部接触。 

图 9 中的表格将测量结果与仿真模型产生的峰值和平均值进行了比较。对于 k TIM = 3.5 W/mK，测量结果和模拟值非常相似。然而，对于 k TIM = 10 W/mK，误差明显更高。进一步的分析表明，该误差部分是由于在模拟中没有考虑阻焊层，因为随着 k TIM 的增加，这会产生越来越大的影响。 

图 9：测量和模拟热阻值之间的比较 

审核编辑：刘清