فهم الإدارة الحرارية لأجهزة GaN ذات مقياس الرقاقة

يتم اعتماد أشباه موصلات الطاقة ذات فجوة الحزمة العريضة (WBG) في التصميمات السائدة بسبب التحسينات في ترتيب الحجم في أرقام الجدارة الكهربائية (FOMs). تتطلب هذه التحسينات الضخمة في الأداء إعادة النظر في العديد من افتراضات التصميم ، بما في ذلك الإدارة الحرارية [1].

تناقش هذه المقالة التحديات التي تثيرها الإدارة الحرارية بسبب زيادة كثافة الطاقة ، خاصةً مع تغليف مقياس الرقائق (CSP). ومع ذلك ، فإن ما يتم تجاهله في بعض الأحيان هو أن CSP eGaN® power FETs والدوائر المتكاملة تتمتع بأداء حراري ممتاز عند تركيبها على معيار مطبوع الدارة الكهربائية لوحات (PCBs) مع طرق بسيطة لربط المشتتات الحرارية.

على سبيل المثال ، CSP GaN FET بمساحة 4 مم 2 على 4 طبقات قياسية ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن أن تحقق قيم مقاومة حرارية بالوعة للحرارة أقل من 4 K / W مع تجميع منخفض التكلفة ومواد وتقنيات بالوعة الحرارة. يتم توفير التحليل والمحاكاة والتحقق التجريبي في هذه المقالة. بالإضافة إلى ذلك ، تمت مناقشة مسارات لمزيد من التحسين الحراري.

كمثال ، ضع في اعتبارك حالة سطح جبل باك محول المعدل المتزامن ، حيث تكون الخسارة السائدة هي خسارة التوصيل. يشغل CSP eGaN FET ، EPC2059 ، 3.92 مم 2 من مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور لـ 170 فولت ، 9 متر مكعب ، في حين أن سي MOSFET تشغل ما يقرب من ثمانية أضعاف مساحة اللوحة PCB عند 30.9 مم 2.

إذا كانت منطقة البصمة هي العامل المهيمن في تحديد ارتفاع درجة الحرارة ، فإن Si الأكبر MOSFET سيكون لها ارتفاع في درجة الحرارة بحوالي 23٪ من درجة حرارة GaN لتيار معين، على الرغم من أن eGaN FET لديه مقاومة أقل بكثير (RDS(on)). ومع ذلك، من الناحية العملية، يبدو أن الأداء الحراري لوحدات CSP eGaN FETs يساوي أو أفضل من Si MOSFETs الأكبر. هذه النتيجة التي تبدو غير بديهية، وأسبابها، ليست واضحة، وبالتالي هناك حاجة إلى بعض التحقيقات المتعمقة.

تُظهر العديد من المنشورات أن eGaN FETs على نطاق الرقاقة تتمتع بأداء حراري مطلق ممتاز على الرغم من مساحتها الأصغر بكثير مقارنةً بـ RDS (on) الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، وتوجد طرق عملية لتركيب المشتت الحراري [2 ، 3] كما هو موضح في الشكل 1 الذي يوضح طريقة بسيطة لربط المشتت الحراري بـ CSP eGaN FETs. لسوء الحظ ، تقدم معظم المنشورات تفاصيل قليلة حول تدفق الحرارة والنماذج الحرارية ، عند وجودها. المقالات مبسطة ولديها القليل من التبرير الدقيق.

نظرًا لأن درجة حرارة التقاطع القصوى المقدرة ، Tj ، max ، غالبًا ما تكون العامل المحدد الرئيسي في التصميمات ، فمن الضروري لمصممي أنظمة الطاقة أن يفهموا كيف ولماذا يمكن تحقيق الأداء الحراري العالي. يوفر هذا الفهم الثقة في التصميم ؛ وبالتالي ، تقصير دورات التصميم ، وتقليل كمية وشدة الاختبار المطلوب ، وزيادة الموثوقية ، وتقليل التكلفة الإجمالية.

في العديد من التصميمات التي تستخدم أشباه موصلات الطاقة السطحية ، فإن ثنائي الفينيل متعدد الكلور و الترانزستورتشكل واجهة المشتت الحراري أول عنق زجاجة لتدفق الحرارة [4]. في الحالات التي يتم فيها استخدام المشتت الحراري ، غالبًا ما يتم إهمال دور ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تبديد الحرارة ، ولكنه في الواقع مسار مهم لتدفق الحرارة. تعد مساهمة ثنائي الفينيل متعدد الكلور في استخلاص الحرارة مهمة حتى بالنسبة إلى وحدات CSP eGaN FET الصغيرة جدًا حيث ، في التصميمات العملية ، يمكن لمثل هذه FETs تحقيق أداء حراري من التقاطع إلى المحيط على قدم المساواة مع أو حتى أفضل من Si MOSFETs الأكبر بكثير.

عند الدمج مع الأداء الكهربائي الفائق لـ eGaN FETs ، يمكن تقليل الحجم وزيادة مستويات الطاقة وخفض درجات حرارة التشغيل. يمكن إظهار ذلك باستخدام محاكاة مفصلة ثلاثية الأبعاد للعناصر المحدودة لتخطيطات ثنائي الفينيل متعدد الكلور النموذجية جنبًا إلى جنب مع التحقق التجريبي.

بالنسبة لتطبيقات الطاقة العالية ، أو تلك التي تعمل في بيئات ذات درجة حرارة محيطة عالية ، يتم استخدام المشتتات الحرارية لنقل الطاقة الحرارية إلى البيئة المحيطة. يتضمن نهج الإدارة الحرارية النموذجي لـ CSP eGaN FET تطبيق مادة واجهة حرارية عازلة كهربيًا (TIM) على السطح العلوي من FET المركب ، وربط ميكانيكيًا بالوعة الحرارة فوقه. في هذا التكوين ، غالبًا ما تُستخدم الفواصل لضمان أن يكون للمشتت الحراري مسافة كافية من السطح العلوي لـ FET إلى السطح المواجه للمشتت الحراري من أجل تلبية متطلبات موازنة الجهد وامتصاص الاختلافات الميكانيكية ، كما هو موضح في الشكل 1.

يوضح الشكل 2 مسارات تدفق الحرارة المختلفة للتجميع الحراري الموصوف مسبقًا. حدسيًا ، يبدو أن تدفق الحرارة من أعلى وجوانب مقياس الرقاقة يهيمن بسبب المسار القصير عبر TIM ، في حين أن تدفق الحرارة الذي يتبع مسار المشتت الحراري PCBTIM هو أيضًا مساهم كبير في الحرارة إزالة.

نظرًا لرابطة اللحام المعدنية ، فإن FET لديها اتصال حراري ممتاز مع النحاس الموجود على PCB. ينشر ثنائي الفينيل متعدد الكلور الحرارة بشكل فعال لأن التوصيل الحراري للنحاس أعلى بحوالي أمرين من حيث الحجم من TIM. على الرغم من أن الحرارة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى المشتت الحراري يجب أن تتدفق عبر سمك TIM أكبر من 2-5 مرات من المسار من FET إلى المشتت الحراري ، فإن المقطع العرضي الفعال لـ TIM في هذا المسار قد يكون أكبر من 10 أضعاف مساحة السطح المكشوفة من FET ، نظرًا لأن مساحتها تتناسب مع مربع نصف قطر الأسطوانة المتكون من تطبيق مادة الواجهة الحرارية. ومن ثم ، يجب أن تؤخذ مساهمة المسار الحراري للمشتت الحراري لثنائي الفينيل متعدد الكلور في الاعتبار عند تحليل نهج الإدارة الحرارية هذا.

يمكن إجراء التحليل أعلاه باستخدام أدوات طريقة العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد (FEM). يشكل ثنائي الفينيل متعدد الكلور نصف جسر لـ eGaN FETs الحالة الأساسية. يتميز ثنائي الفينيل متعدد الكلور بتصميم مُحسَّن للحصول على أفضل أداء كهربائي [3] ويستخدم هيكلًا مكونًا من 5 طبقات من رقائق نحاسية 4 مم ، عازل FR70 ، ويبلغ سمكه الإجمالي 408 مم (1.6 مل). يتم وضع حجم من المعجون الموصّل حرارياً على FETs المركب والجوار المباشر كما هو موضح في الشكل 62. يتم وضع المشتت الحراري فوق FETs مع وجود فجوة بين الجانب العلوي من FET وسطح المشتت الحراري المواجه. يحتوي اللوح على صبغات نحاسية مع فجوات عازلة ومجموعة فرعية من فتحات يمكن استخدامها في تصميم نموذجي. النقطة الأساسية هي أن أفضل أداء كهربائي يدفع المصمم إلى وضع أكبر قدر من النحاس في المنطقة المجاورة مباشرة لـ FET ، مما يفيد أيضًا الأداء الحراري.

الجدول الأول: مواد الواجهة الحرارية (TIM) المستخدمة في التجارب المذكورة في هذه المقالة

النتائج التجريبية أجريت سلسلة من التجارب الفيزيائية للتحقق من هذه المحاكاة ولزيادة فهم التأثيرات العملية على FET ، مثل مقاومة التلامس الحراري. تم الحصول على اتفاق جيد بين النتائج التجريبية والمحاكاة ، مما يدعم الثقة في عمليات المحاكاة.

تم إجراء تحليل التكلفة باستخدام مادة 10 وات / م / كلفن الأكثر تكلفة (TGPP10-50G). يبلغ قطر الأسطوانة 10 مم من المواد المحيطة بـ FET حجم 70 مل تقريبًا. لمعدلات الإنتاج المعتدلة ، تكون تكلفة FET TIM أقل من 0.01 دولار أمريكي.

نبذة عامة

تتمتع eGaN FETs الصغيرة الحجم بأداء حراري ممتاز عند تركيبها على لوحة الدوائر المطبوعة المصممة للحصول على أفضل أداء كهربائي. يتم الحصول على هذا الأداء من خلال حلول حرارية بسيطة وقابلة للتصنيع وفعالة من حيث التكلفة.