Grundlegendes zum Wärmemanagement von GaN-Geräten im Chip-Maßstab

Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke (WBG) werden aufgrund von Verbesserungen der elektrischen Leistungszahlen (FOMs) in der Größenordnung in Mainstream-Designs übernommen. Diese enormen Leistungsverbesserungen erfordern eine Überprüfung vieler Entwurfsannahmen, einschließlich des Wärmemanagements [1].

In diesem Artikel werden die Herausforderungen erörtert, die das Wärmemanagement aufgrund der erhöhten Leistungsdichte mit sich bringt, insbesondere beim Chip-Scale-Packaging (CSP). Was jedoch manchmal übersehen wird, ist, dass CSP eGaN®-Leistungs-FETs und integrierte Schaltkreise eine hervorragende thermische Leistung aufweisen, wenn sie auf Standardleiterplatten montiert werden Schaltung Platinen (PCBs) mit einfachen Methoden zur Anbringung von Kühlkörpern.

Zum Beispiel ein CSP-GaN-FET mit einer Grundfläche von 4 mm2 auf einer Standard-4-Schicht pcb Mit kostengünstigen Montage- und Kühlkörpermaterialien und -techniken können Wärmewiderstandswerte zwischen Übergang und Kühlkörper von weniger als 4 K / W erreicht werden. In diesem Artikel werden Analyse, Simulation und experimentelle Verifizierung bereitgestellt. Darüber hinaus werden Wege zur weiteren thermischen Verbesserung diskutiert.

Betrachten Sie als Beispiel den Fall eines oberflächenmontierten Abwärtswandlers Konverter Synchrongleichrichter, bei dem der Hauptverlust der Leitungsverlust ist. Ein CSP-eGaN-FET, der EPC2059, belegt 3.92 mm2 Leiterplattenfläche für einen FET mit 170 V und 9 mΩ, während ein hochmoderner doppelseitig gekühlter Si mit 150 V und 16.5 mΩ verwendet wird MOSFET nimmt mit 30.9 mm2 fast das Achtfache der Leiterplattenfläche der Platine ein.

Wenn die Grundfläche der dominierende Faktor für den Temperaturanstieg ist, ist das Si größer MOSFET würde bei einem gegebenen Strom einen Temperaturanstieg von etwa 23 % desjenigen eines GaN verursachen, obwohl der eGaN-FET einen viel geringeren Einschaltwiderstand (RDS(on)) hat. In der Praxis scheint die thermische Leistung von CSP-eGaN-FETs jedoch gleichwertig oder sogar besser als die von größeren Si-MOSFETs zu sein. Dieses scheinbar kontraintuitive Ergebnis und die Gründe dafür sind nicht offensichtlich, weshalb eine eingehende Untersuchung erforderlich ist.

Mehrere Veröffentlichungen zeigen, dass eGaN-FETs im Chip-Maßstab trotz ihrer viel kleineren Fläche im Vergleich zu äquivalentem RDS (on) eine hervorragende absolute Wärmeleistung aufweisen. Mosfetsund dass praktische Kühlkörpermontagemethoden existieren [2, 3], wie in Abbildung 1 dargestellt, die eine einfache Methode zum Anbringen eines Kühlkörpers an CSP-eGaN-FETs zeigt. Leider enthalten die meisten Veröffentlichungen nur wenige Details zum Wärmefluss und den Wärmemodellen, sofern vorhanden. Die Artikel sind simpel und wenig streng begründet.

Da die maximale Nennübergangstemperatur Tj, max, häufig der Hauptbeschränkungsfaktor bei Konstruktionen ist, ist es für Entwickler von Stromversorgungssystemen entscheidend zu verstehen, wie und warum eine hohe Wärmeleistung erreicht werden kann. Ein solches Verständnis schafft Vertrauen in das Design; Dies verkürzt die Entwurfszyklen, verringert die Menge und den Schweregrad der erforderlichen Tests, erhöht die Zuverlässigkeit und senkt die Gesamtkosten.

In vielen Designs, die oberflächenmontierte Leistungshalbleiter verwenden, sind die Leiterplatte und das TransistorDie Schnittstelle zum Kühlkörper bildet den ersten Engpass für den Wärmefluss [4]. In Fällen, in denen ein Kühlkörper verwendet wird, wird die Rolle der Leiterplatte bei der Wärmeableitung häufig vernachlässigt, ist aber tatsächlich ein wichtiger Weg für den Wärmefluss. Der Beitrag der Leiterplatte zur Wärmeableitung ist selbst für sehr kleine CSP-eGaN-FETs erheblich, bei denen solche FETs in praktischen Designs eine thermische Leistung vom Übergang zur Umgebung erzielen können, die der von viel größeren Si-MOSFETs ebenbürtig oder sogar besser ist.

In Kombination mit der überlegenen elektrischen Leistung von eGaN-FETs kann die Größe reduziert, die Leistung erhöht und die Betriebstemperaturen gesenkt werden. Dies kann anhand detaillierter 3D-Finite-Elemente-Simulationen typischer Leiterplattenlayouts in Verbindung mit einer experimentellen Verifizierung gezeigt werden.

Für Hochleistungsanwendungen oder solche, die in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur arbeiten, werden Kühlkörper verwendet, um die Wärmeenergie an die Umgebung zu übertragen. Ein typischer Wärmemanagementansatz für einen CSP-eGaN-FET besteht darin, ein elektrisch isolierendes thermisches Grenzflächenmaterial (TIM) auf die Oberseite des montierten FET aufzubringen und einen Kühlkörper mechanisch darauf anzubringen. In dieser Konfiguration werden häufig Abstandshalter verwendet, um sicherzustellen, dass der Kühlkörper einen ausreichenden Abstand von der Oberseite des FET zur gegenüberliegenden Oberfläche des Kühlkörpers aufweist, um sowohl die Anforderungen an den Spannungsabstand zu erfüllen als auch mechanische Schwankungen zu absorbieren, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Wärmestrompfade für die zuvor beschriebene Wärmeanordnung. Intuitiv scheint es, dass der Wärmefluss von der Oberseite und den Seiten des Chip-Scale-FET aufgrund des kurzen Pfades durch die TIM dominiert, während der Wärmefluss, der dem PCBTIM-Kühlkörperpfad folgt, ebenfalls einen großen Beitrag zur Wärme leistet Entfernung.

Aufgrund der Lötmetallbindung hat der FET eine hervorragende thermische Verbindung mit dem Kupfer auf der Leiterplatte. Die Leiterplatte verteilt die Wärme effektiv, da die Wärmeleitfähigkeit des Kupfers ungefähr zwei Größenordnungen höher ist als die TIM. Obwohl die Wärme von der Leiterplatte zum Kühlkörper durch eine TIM-Dicke fließen muss, die 2-5 mal größer ist als der Weg vom FET zum Kühlkörper, kann der effektive Querschnitt von TIM in diesem Weg größer als das 10-fache der freiliegenden Oberfläche sein des FET, da seine Fläche proportional zum Quadrat des Radius des Zylinders ist, der durch Aufbringen des thermischen Grenzflächenmaterials gebildet wird. Daher muss bei der Analyse dieses Wärmemanagementansatzes der Beitrag des Wärmepfades zwischen Leiterplatte und Kühlkörper berücksichtigt werden.

Die obige Analyse kann unter Verwendung von FEM-Werkzeugen (3D Finite-Elemente-Methode) durchgeführt werden. Eine Halbbrückenplatine für eGaN-FETs bildet den Basisfall. Diese Leiterplatte hat ein für beste elektrische Leistung optimiertes Layout [5] und verwendet eine 4-Schicht-Konstruktion aus 70 mm Kupferfolie, FR408-Dielektrikum, und eine Gesamtdicke von 1.6 mm (62 mils). Ein Volumen wärmeleitenden Kitts wird auf die montierten FETs und in unmittelbarer Nähe gelegt, wie in Abbildung 3 gezeigt. Über den FETs befindet sich ein Kühlkörper mit einem Spalt zwischen der Oberseite des FET und der zugewandten Kühlkörperoberfläche. Die Platte hat Kupfergüsse mit isolierenden Lücken und eine Untergruppe von Durchkontaktierungen, die in einem typischen Design verwendet werden würden. Ein wichtiger Punkt ist, dass die beste elektrische Leistung den Konstrukteur dazu veranlasst, so viel Kupfer in unmittelbarer Nähe des FET zu platzieren, was auch der thermischen Leistung zugute kommt.

Tabelle I: Thermische Grenzflächenmaterialien (TIM), die in den in diesem Artikel angegebenen Experimenten verwendet wurden

Experimentelle Ergebnisse Eine Reihe physikalischer Experimente wurde durchgeführt, um diese Simulationen zu verifizieren und die praktischen Auswirkungen auf den FET, wie z. B. die Wärmekontaktimpedanz, besser zu verstehen. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den empirischen Ergebnissen und den Simulationen erzielt, was das Vertrauen in die Simulationen stützte.

Eine Kostenanalyse wurde mit dem teureren 10 W / m / K (TGPP10-50G) Material durchgeführt. Ein den FET umgebender Materialzylinder mit 10 mm Durchmesser hat ein Volumen von ungefähr 70 ml. Bei moderaten Produktionsraten betragen die TIM-Kosten pro FET weniger als 0.01 US-Dollar.

Zusammenfassung

Kleine eGaN-FETs im Chip-Maßstab weisen eine hervorragende Wärmeleistung auf, wenn sie auf einer Leiterplatte montiert werden, die für die beste elektrische Leistung ausgelegt ist. Diese Leistung wird mit einfachen, herstellbaren und kostengünstigen thermischen Lösungen erzielt.