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eGaN场效应管的热管理

  【2022.11.11.】

  增强型氮化镓eGaN场效应晶体管具有高功率密度、超快速开关和低导通电阻的能力,而且外形紧凑。然而,由于极高的热通量密度,可实现的功率水平受到过热的限制。如果管理不当,产生的热量会导致过度自热和温度升高,从而影响可靠性和性能。因此,热管理策略对大功率器件至关重要,而eGaN®FET的芯片级封装,可以利用板面和背面(即外壳)的许多设计优势来改善散热。
  本应用笔记介绍了简单的热管理指南,以提高氮化镓场效应晶体管的导热性并优化热性能。此外,本应用说明还介绍了一个案例研究,其中包括简单而有效的热管理解决方案,用于冷却带有两个有源GaN FET的开发板。

  概述
  封装的电子设备通过两条主要的热传导路径散失产生的热量 - 在板面上的印刷电路板(PCB)和在背面的外壳,这两条路径都可以从热管理策略中受益。首先遇到的散热热阻是在FET结构层面,从结点到电路板(RθJB)和从结点到外壳(RθJC)。热传导的热阻一般描述为:
公式1
  其中,
  RθJX, 或者,ΘJX (°C/W 或 K/W) = 从结点到参考位置X的热阻
  TJ (°C 或 K) = 稳态条件下的器件结温
  TX (°C 或 K) = 参考位置的温度(板 (B)、外壳 (C) 或环境 (A))
  P (W) = 器件中消耗的功率
  这两个热阻对每个场效应晶体管来说都是不同的,因为它们取决于器件的结构和所用材料的导热性。
图1
  图1:氮化镓和硅器件的结点到外壳和到电路板的热阻比较

  对于晶圆级芯片封装(WLCSP)的氮化镓场效应晶体管,与外壳的热阻比硅器件低(图1),因此结点到外壳的路径提供良好的热传导。通过简单的方法,确保最佳的热实践,RθJC和RθJB都可以被用来发挥巨大的优势。

  结点至外壳的热改进策略
  参照静止空气中的环境温度(RθJA)或移动空气中的环境温度(RθJMA),报告了器件结点处的最大温升(单位:℃或K),以及由此产生的整体热阻(单位:K/W)。电路板的热阻是热传导路径网络中的一个组成部分,它决定了GaN FET器件的整体自热。
图2
  图2:简化的热阻网络模型显示了FET布局的主要热传导路径和相关温度节点

  图2中的简化电路模型代表了在一个有两个场效应管的标准PCB布局中从结点到环境的主要热传导路径。由于场效应管的面积比PCB的面积小得多,从场效应管到环境的热量通过外壳散失得很少,因此热阻RθCA也很大。因此,在没有任何背面冷却的情况下,FET的主要散热路径是通过PCB,这就是为什么我们必须确保在板侧有良好的导热性。
  从场效应管到电路板的热传导主要由PCB导电层内的铜线来承担。设计较厚的铜线以实现低电阻,也有利于热阻,并在PCB的每一层提供一个高热传导介质。例如,在横向方向上,2oz的铜层的传导性是1oz铜层的两倍。此外,平面内的导热性与层数成正比,更多的层提供了更多的散热路径。
  在平面方向上,分隔铜层的绝缘电介质层具有较低的导热性,因此阻碍了热量的散发。这个问题可以通过在FET内或附近放置通孔来部分克服,以提供一个高导热性的路径,在电介质层之间架起桥梁,将产生的热量带入PCB的内部铜层。反过来,内层也有助于热扩散,进一步降低进入电路板(RθJB)和最终进入环境空气(RθJA)的热阻。如详细的热模拟所示,在FET焊盘附近或下方战略性地放置热通孔,可将自热(ΔT)降低33%(图3)。
  仿真中模拟的通孔有一个Via-in-Pad-Plated-Over(VIPPO)结构,如图2A描述。

图3
  图3:不同配置之间的 PCB 热性能比较,包括FET焊盘附近和下方的热通孔

图2A
  图2A:Via-in-Pad-Plated-Over(VIPPO)结构

  结点到外壳的热改进策略
  氮化镓场效应晶体管器件的另一条散热路径是通过 "外壳"(即芯片),对于晶圆级芯片封装(WLCSP)器件,其电阻(RθJC)比板侧低得多,也比其他类型的封装器件低。由于场效应管的裸露芯片面积太小,无法与周围空气进行明显的热交换,实施简单的热管理策略可以大大改善背面的冷却。
  添加一个与裸片接触的散热器可在横向传导热量,增加器件的有效表面积,并降低其工作温度。为了进一步增加与环境空气的热交换面积,可以在散热器上附加一个散热器。应使用铝和铜等高导电性材料,以确保散热器和散热器的最佳性能(图4)。

图4
  图4:a)无背面冷却的PCB,b)有连接的铜制散热器,c)有铝制热扩散器注:散热器和热扩散器可以结合在一起,也可以独立存在,热流仍然流向PCB

  散热器连接方法
  图5说明了将散热器连接到GaN FET和IC上的一种简单和便于组装的方法。它包括一个热界面材料(TIM),以提高器件和散热器之间界面的导热性,并提供电绝缘。一个SMD垫片在散热器和GaN器件之间为TIM保持适当的距离,并为散热器提供坚固的机械连接。比SMD垫片高的元件必须排除在散热片下面。

图5
  图5:使用螺钉组装散热器的示例

  热界面材料(TIM)特性的考虑
  为背面冷却而添加的散热器/散热片附件引入了几个界面,由于表面粗糙和热接触不完善而增加了热传导的阻力。此外,组件和附件之间的空气间隙也不能有效地传输热量。为了克服遇到的热阻,热界面材料(TIM)被用来改善热接触,并在界面上提供良好的传导性。 TIM材料有几种形式,包括垫、凝胶和液体间隙填充物。
  对TIM的选择应基于几个选择标准。首先,TIM必须具有良好的导热性(κ),以确保良好的导热性和低热阻。κ>3 W/m.K的良好值具有成本效益。有更高的性能达到κ>15 W/m.K的TIM,但价格更贵,因此可以在FET接口处使用,以获得最佳的热传导性。电阻率对GaN FET芯片也很重要,因为上部的FET外壳将处于开关节点电位,必须与热溶液电隔离(图6)。T-Global A1780和A6200 TIM是热和电兼容TIM的例子,其高和中等的κ分别为17.8 W/m.K和6.2 W/m.K。
  选择TIM的另一个考虑因素是在一定的压缩率下对模具施加的压缩力(材料数据表中给出的厚度百分比)。压缩力不能超过GaN FET的应力极限。一般来说,较大的器件可以承受较高的力,LGA器件比相同尺寸的BGA器件可以承受更高的力。根据测试结果,eGaN FET和IC的最大推荐压力是总凸点面积的40 PSI/mm2,一般来说GaN器件的压力是50 PSI。

图6
  图6:用于GaN FET和IC的带有TIM垫的散热器的图示

  对于小规模的氮化镓场效应晶体管来说,芯片侧面的面积与顶部和底部表面相当,因此侧面对导热的贡献相当大。例如,0.9毫米 ×0.9毫米×0.625毫米的EPC2038 FET芯片的顶部和底部表面面积为1.62毫米,四个侧面的面积共为2.25毫米。因此,也可以利用这四个面来增加散热。
  这可以通过在FET两侧添加间隙填充材料来实现,如Bergquist公司的GF4000液体间隙填充剂(κ = 4 W/m.K)。这种填充物用良好的导热材料取代了间隙空气(图7),从而为从GaN器件的四个侧面到电路板和背面冷却方案的热传导提供了一个良好的媒介。

图7
  图7:热解决方案与TIM垫和热间隙填充物的连接

  图2的电阻电路模型现在在图8中进行了修改,包括背面(外壳)冷却的额外热阻,代表从外壳到散热器(RθCS)和从散热器到环境(RθCS)的热传导(图9)。由于电路板也通过金属垫片、隔板和间隙填充物与散热器相连,所以热传导也存在于电路板和散热器之间,由(RθBS)表示。可能会出现这样的情况:在连接了热解决方案后,热阻网络中增加了更多的热阻,然而,RθCS和RθSA的综合热阻在理想情况下比RθCA低得多。因此,总体效果是总热阻的改善。

图8
  图8:带有散热器、SMD垫片、TIM垫和间隙填充物的综合散热解决方案装配图。

图9
  图9:带有散热器附件的热阻电路模型和相应的横截面图像
  注:假设在FET的位置上TS均匀。

  散热器和热扩散器性能
  使用带有两个EPC2204 GaN FET的EPC9097开发板演示了附加热扩散器和散热器的热改进,这被认为是必须冷却的主要热源。表1中考虑了多种情况。首先,使用M2螺钉和SMD垫片将铜质散热器(κ≈400 W/m.K)连接到电路板上。高性能的TG-A1780 TIM(κ = 17.8 W/m.K)被用于场效应管和散热器之间(图2)。在第二个模型中,使用相同类型的TIM将铝制散热器连接到热扩散器上。每个场效应管的功率损失为1W。PCB被放置在20℃的400 LFM气流中进行强制对流冷却。
  表1中的模型也与只有板侧冷却的基线模型进行了比较,同时也分析了通孔放置的影响。从热学模型中提取最高温度,并参照环境温度计算每个FET功率(1W)的整体热阻。还报告了从电路板侧和从外壳侧散出的热量的百分比,以比较每个路径的热阻。

图10
  图10:带有EPC2204 FET的EPC9097印刷电路板的热仿真结果,有热扩散和散热方案

  表1中的热分析结果表明,即使没有背面冷却,对电路板设计的改进也能使电路板的导热性增强,温度最多可降低30%(图3)。与板侧冷却相比,在场效应晶体管上增加一个散热器,将整体热阻从34K/W减少到22K/W(约40%),而散热器将与环境的整体热阻减少到约15K/W(比基线减少60%)。通过减少背面冷却的热阻,通过机箱散出的热量百分比从2%(基线)增加到45%(使用散热器)和61%(使用附加散热器)。鉴于结点到散热器的热阻在4.9K/W,改进散热器方案(更大的鳍片,更多的空气流动)可以进一步减少14.9K/W的整体热阻。

表1
  表1: 不同分析案例的热模拟结果摘要

  结论
  为改善有源氮化镓场效应晶体管的导热性,详细介绍了简单而经济的热管理策略。讨论了板侧冷却和背面(外壳)冷却策略。当仅限于板侧冷却时,在FET下方或附近战略性地放置热通孔,可以大大改善板的传导性,使热量更有效地散布到板的内部铜层,使峰值工作温度降低约30%。此外,由于WLCSP GaN FET的结-壳热阻较低,其背面具有相当大的热冷却潜力。
  简单的热管理策略,如附加热扩散器或散热器,可以增加器件的有效散热面积,并将FET温度降低60%,这一点在详细的模拟中得到了体现。有了良好的散热考虑和简单的热管理策略,小型芯片规模的器件可以得到充分的冷却,在高功率应用中获得可靠的性能。

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