Comprendre la gestion thermique des dispositifs GaN à l'échelle de la puce

Les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (WBG) sont en cours d'adoption dans les conceptions grand public en raison des améliorations d'ordre de grandeur des chiffres de mérite électriques (FOM). Ces énormes améliorations des performances nécessitent de revoir de nombreuses hypothèses de conception, y compris la gestion thermique [1].

Cet article traite des défis que pose la gestion thermique en raison de l'augmentation de la densité de puissance, en particulier avec le chip-scale-packaging (CSP). Ce qui est parfois négligé, cependant, c'est que les FET de puissance CSP eGaN® et les circuits intégrés ont d'excellentes performances thermiques lorsqu'ils sont montés sur des circuits imprimés standard. circuit cartes (PCB) avec des méthodes simples pour fixer les dissipateurs thermiques.

Par exemple, un CSP GaN FET avec une empreinte de 4 mm2 sur un 4 couches standard pcb peut atteindre des valeurs de résistance thermique jonction-dissipateur thermique inférieures à 4 K / W avec des matériaux et techniques d'assemblage et de dissipateur thermique à faible coût. L'analyse, la simulation et la vérification expérimentale sont fournies dans cet article. En outre, les voies vers une amélioration thermique supplémentaire sont discutées.

A titre d'exemple, considérons le cas d'un buck monté en surface convertisseur redresseur synchrone, où la perte dominante est la perte de conduction. Un FET eGaN CSP, l'EPC2059, occupe 3.92 mm2 de surface de circuit imprimé pour un FET de 170 V, 9 mΩ, tandis qu'un Si à refroidissement double face 150 V, 16.5 mΩ à la pointe de la technologie MOSFET occupe près de huit fois la surface du circuit imprimé de la carte à 30.9 mm2.

Si la zone d'empreinte était le facteur dominant déterminant l'élévation de température, le plus mosfet aurait une augmentation de température d'environ 23 % de celle d'un GaN pour un courant donné, même si l'eGaN FET a une résistance à l'état passant (RDS(on)) beaucoup plus faible. En pratique, cependant, les performances thermiques des FET eGaN CSP semblent être comparables, voire meilleures, à celles des MOSFET Si plus grands. Ce résultat apparemment contre-intuitif, ainsi que ses raisons, ne sont pas évidents, d’où la nécessité d’une enquête approfondie.

Plusieurs publications démontrent que les FET eGaN à l'échelle de la puce ont d'excellentes performances thermiques absolues malgré leur surface beaucoup plus petite par rapport aux RDS équivalents (on) mosfet, et qu'il existe des méthodes pratiques de montage de dissipateur thermique [2, 3] comme illustré sur la figure 1 qui montre une méthode simple pour fixer un dissipateur thermique à des FET CSP eGaN. Malheureusement, la plupart des publications fournissent peu de détails sur le flux de chaleur et les modèles thermiques, lorsqu'ils sont présents. Les articles sont simplistes et ont peu de justification rigoureuse.

Étant donné que la température de jonction nominale maximale, Tj, max, est souvent le principal facteur limitant dans les conceptions, il est essentiel que les concepteurs de systèmes d'alimentation comprennent comment et pourquoi des performances thermiques élevées peuvent être obtenues. Une telle compréhension donne confiance dans la conception; ainsi, raccourcir les cycles de conception, réduire la quantité et la gravité des tests requis, augmenter la fiabilité et réduire le coût global.

Dans de nombreuses conceptions utilisant des semi-conducteurs de puissance à montage en surface, le PCB et le Transistor-l'interface dissipateur de chaleur forme le premier goulot d'étranglement au flux de chaleur [4]. Dans les cas où un dissipateur thermique est utilisé, le rôle du PCB dans la dissipation thermique est souvent négligé, mais il s'agit en fait d'un chemin important pour le flux de chaleur. La contribution du PCB à l'extraction de la chaleur est significative même pour les très petits FET CSP eGaN où, dans des conceptions pratiques, ces FET peuvent atteindre des performances thermiques de la jonction à l'ambiante équivalentes, voire meilleures, à des MOSFET Si beaucoup plus grands.

Lorsqu'il est combiné avec les performances électriques supérieures des FET eGaN, la taille peut être réduite, les niveaux de puissance augmentés et les températures de fonctionnement abaissées. Ceci peut être montré en utilisant des simulations d'éléments finis 3D détaillés de schémas de PCB typiques en conjonction avec une vérification expérimentale.

Pour les applications à haute puissance ou celles qui fonctionnent dans des environnements à température ambiante élevée, des dissipateurs thermiques sont utilisés pour transférer l'énergie thermique vers l'environnement ambiant. Une approche de gestion thermique typique pour un CSP eGaN FET implique l'application d'un matériau d'interface thermique électriquement isolant (TIM) sur la surface supérieure du FET monté, et la fixation mécanique d'un dissipateur thermique au-dessus. Dans cette configuration, des entretoises sont souvent utilisées pour garantir que le dissipateur thermique a une distance suffisante entre la surface supérieure du FET et la surface en regard du dissipateur thermique afin de répondre aux exigences de tension et d'absorber les variations mécaniques, comme le montre la figure 1.

La figure 2 montre les différents chemins de flux de chaleur pour l'ensemble thermique précédemment décrit. Intuitivement, il semble que le flux de chaleur du haut et des côtés du FET à l'échelle de la puce domine en raison du court chemin à travers le TIM, alors qu'en fait, le flux de chaleur suivant le chemin du dissipateur de chaleur PCBTIM est également un grand contributeur à la chaleur. suppression.

En raison de la liaison métallique de soudure, le FET a une excellente connexion thermique avec le cuivre sur le PCB. Le PCB répartit efficacement la chaleur puisque la conductivité thermique du cuivre est environ deux ordres de grandeur plus élevée que le TIM. Bien que la chaleur du PCB au dissipateur de chaleur doive traverser une épaisseur de TIM 2 à 5 fois plus grande que le chemin du FET au dissipateur de chaleur, la section efficace du TIM dans ce chemin peut être supérieure à 10 fois la surface exposée. du FET, puisque sa surface est proportionnelle au carré du rayon du cylindre formé par l'application du matériau d'interface thermique. Par conséquent, la contribution du chemin thermique PCB-dissipateur thermique doit être prise en compte lors de l'analyse de cette approche de gestion thermique.

L'analyse ci-dessus peut être effectuée à l'aide des outils de la méthode des éléments finis 3D (MEF). Un circuit imprimé en demi-pont pour les FET eGaN constitue le cas de base. Ce PCB a une disposition optimisée pour les meilleures performances électriques [5] et utilise une construction à 4 couches de feuille de cuivre de 70 mm, diélectrique FR408, et a une épaisseur totale de 1.6 mm (62 mils). Un volume de mastic thermoconducteur est placé sur les FET montés et à proximité immédiate comme le montre la figure 3. Un dissipateur thermique est placé sur les FET avec un espace entre le côté supérieur du FET et la surface du dissipateur thermique en regard. La carte a des coulées de cuivre avec des espaces isolants et un sous-ensemble de vias qui seraient utilisés dans une conception typique. Un point clé est que les meilleures performances électriques poussent le concepteur à mettre autant de cuivre à proximité immédiate du FET, ce qui profite également aux performances thermiques.

Tableau I: Matériaux d'interface thermique (TIM) utilisés dans les expériences rapportées dans cet article

Résultats expérimentaux Une série d'expériences physiques ont été menées pour vérifier ces simulations et pour mieux comprendre les effets pratiques sur le FET, tels que l'impédance de contact thermique. Un bon accord entre les résultats empiriques et les simulations a été obtenu, ce qui a confirmé la confiance dans les simulations.

Une analyse des coûts a été effectuée avec le matériau plus cher 10 W / m / K (TGPP10-50G). Un cylindre de matériau de 10 mm de diamètre entourant le FET a un volume d'environ 70 ml. Pour des taux de production modérés, le coût par FET TIM est inférieur à 0.01 $ US.

Résumé

Les FET eGaN à petite échelle ont d'excellentes performances thermiques lorsqu'ils sont montés sur un PCB conçu pour les meilleures performances électriques. Cette performance est obtenue avec des solutions thermiques simples, réalisables et économiques.