NV612X GaNFast? 功率半導(dǎo)體器件的熱處理

介紹

最新的納微GaNFast? 電源集成電路NV6123/25/27，集成在6mmx8mm的QFN封裝內(nèi)。這個(gè)封裝增加了一個(gè)大的冷卻片，用于降低封裝的熱阻和提高散熱性能。

這種封裝使高密度電源的設(shè)計(jì)更加可靠，特別是對(duì)于沒(méi)有氣流的全封閉充電器和適配器應(yīng)用中。能夠充分利用這些熱效益，就必須在PCB布局、熱接口和散熱，全部設(shè)計(jì)妥當(dāng)。正確的熱管理可以最大限度地提高使用GaN功率電路時(shí)的效率和功率密度。

本文介紹PCB布局指南和示例，以幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)；提供NV612X（3/5/7）的封裝圖，供工程師朋友設(shè)計(jì)電源layout使用。

概述

普遍的NV6113/15/17 GaN功率器件(QFN 5x6mm )設(shè)計(jì)在各種高密度PD電源。對(duì)于具有更具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境的設(shè)計(jì)，這個(gè)更大的QFN 6x8mm GaN功率器件產(chǎn)品能更有效地去除熱量。新的6x8 mm QFN封裝的集成電路引腳包括（見(jiàn)圖1）漏極（D）、源極（S）、控制管腳和一個(gè)大的冷卻片（CP）。

控制管腳柵極驅(qū)動(dòng)和GaN功率FET的開(kāi)/關(guān)控制，并且外部功率轉(zhuǎn)換電路的大部分開(kāi)關(guān)電流從漏極流過(guò)GaN功率FET，并流向源管腳。一小部分開(kāi)關(guān)電流確實(shí)流過(guò)芯片的硅襯底，并通過(guò)襯底流出。在封裝內(nèi)部，集成電路直接安裝在冷卻片上。圖2所示。

因此，GaN功率管的功率損耗產(chǎn)生的熱量必須通過(guò)冷卻片（CP）、焊料和PCB排出。圖3所示；

盡可能多地使用銅來(lái)連接裝焊接層增加散熱面積是有幫助的。

使用熱通孔將熱量傳遞到PCB的另一側(cè)或具有大銅平面的內(nèi)層，然后在那里進(jìn)行擴(kuò)散和冷卻。

冷卻片連接到芯片基板，芯片基板可以相對(duì)于源極電平浮動(dòng)+/-10V。

對(duì)于使用電流檢測(cè)電阻的應(yīng)用（CS采樣），冷卻片可以連接（圖4）到源極引腳（在電流檢測(cè)電阻RCS的頂部），或者連接到PGND以獲得額外的PCB散熱面積。

PCB指南（不帶CS檢測(cè)電阻）

在設(shè)計(jì)氮化鎵GaN功率電路的PCB版圖時(shí)，為了達(dá)到可接受的器件溫度，必須遵循幾個(gè)準(zhǔn)則。

必須使用熱通孔將熱量從頂層IC焊盤(pán)傳導(dǎo)到底層，并使用大面積銅進(jìn)行PCB散熱。

以下布局步驟和說(shuō)明了最佳實(shí)踐布局，以實(shí)現(xiàn)最佳的IC熱性能。

1） 將GaN IC 6x8 mm QFN封裝在PCB頂層。

2） 將控制所需的附加SMD部件放置在頂層（CVCC、CVDD、RDD、DZ）。將SMD部件盡可能靠近IC引腳！

3） 布置SMD部件、走線連接全部在頂層。

4） 在冷卻片和側(cè)邊的頂層放置大片銅區(qū)域。

5） 在冷卻片內(nèi)部和側(cè)邊放置熱通孔。

6） 在所有其他層（底部、mid1、mid2等）上放置較大的銅區(qū)域。

PCB指南（帶CS檢測(cè)電阻）

當(dāng)使用放置在電源和PGND之間的電流檢測(cè)電阻Rcs時(shí)，浮動(dòng)冷卻片允許PCB銅區(qū)延伸穿過(guò)電流檢測(cè)電阻Rcs并直接連接到PGND。

當(dāng)設(shè)計(jì)帶有CS檢測(cè)電阻的PCB時(shí)，應(yīng)遵循以下步驟：

1） 將GaN IC 6x8 mm PQFN封裝在PCB頂層。

2） 將控制所需的附加SMD部件放置在頂層（CVCC、CVDD、RDD、DZ）。將SMD部件盡可能靠近IC引腳！

3） 在頂層布置SMD組件、控制管腳、排水管腳和源管腳的連接。

4） 在冷卻片和側(cè)邊的頂層放置大型銅區(qū)域。

5） 在冷卻片內(nèi)部和側(cè)邊放置熱通孔。

6） 在所有其他層（底部、mid1、mid2等）上放置較大的銅區(qū)域。

7）用通孔將冷卻墊銅區(qū)電位連接到PGND。

NV6125與NV6115熱比較

在65w高頻準(zhǔn)諧振反激演示板上測(cè)試和比較了NV6125（6x8mm）和NV6115（5x6mm）的熱性能。兩個(gè)部分在相似的交流輸入、直流輸出和效率條件下進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)遵循推薦的PCB布局指南，對(duì)兩個(gè)GaN功率IC的PCB布局進(jìn)行了優(yōu)化。

結(jié)果表明，在低壓AC 90V輸入和滿負(fù)荷條件下，NV6125在其外殼溫度降低9.4攝氏度。

NV6125 vs NV6115 Thermal Comparison (65 W HFQR, Ta = 25 C)

產(chǎn)品選擇指南

下表顯示了納微針對(duì)不同電路拓?fù)浜凸β仕降腉aN器件選型建議（僅限典型）。

附 ：GaN NV6125 和NV6115 封裝圖資料。提供給工程師朋友進(jìn)行電路設(shè)計(jì)參考；