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适用于CSP GaN FET的简单高性能散热管理解决方案

2022-07-12 17:21:54 Stefano Lovati 阅读:
本文将演示芯片级封装(CSP) GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还将通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行展示,同时还会提供实验验证,对分析提供支持。

由于品质因数更好1,氮化镓等宽禁带半导体可提供比硅更高的功率密度,占用的裸片面积更小,因此所需的封装尺寸也更小。假设器件占用的面积是决定散热性能的主要因素,那么也就可以假设降低功率器件尺寸会导致更高的热阻3,4。本文将演示芯片级封装(CSP)GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还将通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行展示,同时还会提供实验验证,对分析提供支持。阅读原文请点击这里22k0ednc

功率器件的热管理

电力电子市场需要越来越小、越来越高效和越来越可靠的器件。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板面积和成本)和出色的散热管理(能够控制器件温度)。功率半导体散热管理系统的三个主要要求如下:2k0ednc

  1. 热量应能以足够低的热阻从器件传导到周围环境,从而防止结温(TJ)升高超过规定限值。由于降额系数,TJ通常低于数据手册中的值。
  2. 电源电路与周围环境之间应提供电气隔离。
  3. 由材料热膨胀系数不匹配引起的热致机械应力应被吸收。

最常见的功率器件散热管理系统如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,TIM),电绝缘体用于将金属散热器从半导体结分隔开。由于大多数介电材料的导热率较低,因此需要在电气隔离和热阻之间进行权衡。2k0ednc

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图1:最常见的CSP GaN FET散热管理系统。2k0ednc

在实际系统中,功率器件通常采用由多个金属层和电介质层所组成的封装,并安装在也包括多个金属层和电介质层的PCB上。该组件上还连接有散热器,因此就非常复杂。尽管SMD元器件的广泛使用和封装尺寸的减小使散热管理变得越来越复杂,但由于采用了宽禁带半导体,现在可以在具有高性价比的电源转换器解决方案中轻松实现2kW/in.3的功率密度52k0ednc

采用CSP封装、包括钝化裸片和焊球或焊条的GaN FET的推出,使散热管理变得更加复杂,但也使性能、可靠性和成本获得了立即提高。图2显示了基于EPC2059 CSP GaN FET的半桥,其裸片尺寸为2.8mm×1.4mm。图像的右侧显示了带有焊条的PCB底部。2k0ednc

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图2:标准PCB上的EPC2059 CSP GaN FET。2k0ednc

尽管GaN FET降低的损耗足以确保在某些应用中进行适当的散热管理,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)。2k0ednc

热分析

安装有散热器的PCB和FET的横截面如3所示。热量可以通过多种途径流动:它可以从裸片顶部流出,从裸片的四个侧面流出,然后通过PCB铜箔,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,但最后的散热路径仍然很重要。2k0ednc

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图3:从器件到散热器的多条热流路径。2k0ednc

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。2k0ednc

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图4:仿真模型视图。2k0ednc

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图5:仿真温度曲线。2k0ednc

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图7所示——在图6中,从FET结到散热器表面的热阻值Rθ,JS随TIM直径而变化,而在图7中,Rθ,JS则随TIM圆柱体圆形横截面的面积而变化。2k0ednc

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图6:Rθ,JS预测值随TIM直径的变化。2k0ednc

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图7:Rθ,JS预测值随TIM面积的变化。2k0ednc

6的曲线显示,低kTIM材料的峰值和平均值之间的差异更大,这表明大部分热量会通过器件底部的焊条流出。2k0ednc

应该注意的是,7中的曲线显示在4到5mm直径之间有一个拐点,而在8mm以上,Rθ,JS没有进一步增加。因此,对于kTIM=10W/mK的情况,主要好处发生在TIM面积约为20mm2以下;对于kTIM=3.5W/mK,则出现在TIM面积为30mm2以下。当裸片到散热器的间隙减小时,拐点向左移动,Rθ,JS值减小。2k0ednc

实验结果

实验装置基于的PCB与散热模型所用的相同,如图8所示。一个热电偶放置在铜散热器中心钻出的小孔中,而第二个热电偶则安装在散热器的另一面上。2k0ednc

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图8:测试PCB。2k0ednc

此处使用了开尔文连接测量高压降。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,此处使用了低熔点焊料将带有美规36号绝缘引线的K型热电偶与FET底部接触起来。2k0ednc

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kTIM=3.5W/mK,实测结果和仿真值非常相似。然而,对于kTIM=10W/mK,误差明显更高。进一步的分析表明,这个误差部分是由于在仿真中没有考虑阻焊层所致,因为这会随着kTIM的增加而产生越来越大的影响。2k0ednc

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图9:热阻测量值和仿真值之间的比较。2k0ednc

参考文献

1Lidow et al. (2020). GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Third Edition. Wiley. 2k0ednc

2Glaser et al. (2021). “Simple high-performance thermal management of chip-scale GaN FETs.” 2021 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2k0ednc

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. 2k0ednc

4Sawle et al. (2001). “DirectFETTM – A Proprietary New Source Mounted Power Package for Board Mounted Power.” Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). 2k0ednc

5Monolithic Power Systems. (2020). MPC1100A-54-0000 Datasheet, Rev. 1.1. 2k0ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Simple and Performant Thermal Management Solution for CSP GaN FETs,由Franklin Zhao编译。)2k0ednc

本文为《电子技术设计》2022年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里2k0ednc

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