適用于CSP GaN FET的簡(jiǎn)單且高性能的熱管理解決方案?

由于具有更好的品質(zhì)因數(shù)，寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體（例如氮化鎵 (GaN)）提供比硅更高的功率密度，占用的芯片面積更小，因此需要更小尺寸的封裝。假設(shè)器件占用的面積是決定熱性能的主要因素，那么可以合理地假設(shè)較小的功率器件會(huì)導(dǎo)致較高的熱阻。本文將展示芯片級(jí)封裝 (CSP) GaN FET 如何提供至少與硅 MOSFET 相同（如果不優(yōu)于）的熱性能。由于其卓越的電氣性能，GaN FET 的尺寸可以減小，從而在尊重溫度限制的同時(shí)提高功率密度。這種行為將通過 PCB 布局的詳細(xì) 3D 有限元模擬來展示，同時(shí)還提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以支持分析。

功率器件的熱管理

電力電子市場(chǎng)需要越來越小、更高效和更可靠的設(shè)備。滿足這些嚴(yán)格要求的關(guān)鍵因素是高功率密度（能夠減少解決方案的占地面積和成本）和出色的熱管理（能夠控制設(shè)備溫度）。功率半導(dǎo)體熱管理系統(tǒng)的三個(gè)主要要求如下：

1. 熱量應(yīng)以足夠低的熱阻從器件傳導(dǎo)到周圍環(huán)境，以防止結(jié)溫 (T _J ) 升高超過規(guī)定限值。由于降額因素，T _J通常低于數(shù)據(jù)表中的值。

1. 電源電路與周圍環(huán)境之間應(yīng)提供電氣隔離。

1. 由材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱致機(jī)械應(yīng)力應(yīng)被吸收。

功率器件最常見的熱管理系統(tǒng)如圖 1 所示。它包括一個(gè)散熱器（將熱量從功率半導(dǎo)體傳遞到周圍環(huán)境）和一個(gè)電絕緣體（熱界面材料，或 TIM），用于分隔金屬散熱器從半導(dǎo)體結(jié)。由于大多數(shù)介電材料的導(dǎo)熱率較低，因此需要在電隔離和熱阻之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖 1：最常見的 CSP GaN FETS 熱管理系統(tǒng)

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.

審核編輯：劉清