Comprensione della gestione termica dei dispositivi GaN su scala di chip

I semiconduttori di potenza a banda larga (WBG) vengono adottati nei progetti tradizionali a causa dei miglioramenti dell'ordine di grandezza nelle figure di merito elettriche (FOM). Questi enormi miglioramenti delle prestazioni richiedono la revisione di molti presupposti di progettazione, inclusa la gestione termica [1].

Questo articolo discute le sfide poste dalla gestione termica a causa dell'aumento della densità di potenza, in particolare con il chip-scale-packaging (CSP). Ciò che a volte viene trascurato, tuttavia, è che i FET di potenza eGaN® CSP e i circuiti integrati hanno eccellenti prestazioni termiche se montati su supporti stampati standard circuito schede (PCB) con metodi semplici per collegare i dissipatori di calore.

Ad esempio, un FET GaN CSP con un'impronta di 4 mm2 su uno standard a 4 strati pcb può raggiungere valori di resistenza termica giunzione-dissipatore di calore inferiori a 4 K / W con materiali e tecniche di assemblaggio e dissipatore di calore a basso costo. In questo articolo vengono fornite analisi, simulazione e verifica sperimentale. Inoltre, vengono discussi i percorsi per un ulteriore miglioramento termico.

Ad esempio, si consideri il caso di un buck a montaggio superficiale convertitore raddrizzatore sincrono, dove la perdita dominante è la perdita di conduzione. Un FET eGaN CSP, l'EPC2059, occupa 3.92 mm2 di area PCB per un FET da 170 V, 9 mΩ, mentre un FET allo stato dell'arte da 150 V, 16.5 mΩ raffreddato su entrambi i lati MOSFET occupa quasi otto volte l'area PCB della scheda a 30.9 mm2.

Se l'area dell'impronta fosse il fattore dominante che determina l'aumento della temperatura, maggiore è il Si mosfet avrebbe un aumento di temperatura di circa il 23% rispetto a quello di un GaN per una data corrente, anche se il FET eGaN ha una resistenza di conduzione (RDS(on)) molto inferiore. In pratica, tuttavia, le prestazioni termiche dei FET eGaN CSP sembrano essere pari o migliori di quelle dei MOSFET Si più grandi. Questo risultato apparentemente controintuitivo, e le sue ragioni, non sono ovvi, quindi è necessaria un’indagine approfondita.

Diverse pubblicazioni dimostrano che i FET eGaN su scala di chip hanno eccellenti prestazioni termiche assolute nonostante la loro area molto più piccola rispetto all'RDS equivalente (attivo) mosfete che esistono metodi pratici di montaggio del dissipatore di calore [2, 3] come illustrato nella Figura 1 che mostra un metodo semplice per collegare un dissipatore di calore a FET CSP eGaN. Sfortunatamente, la maggior parte delle pubblicazioni fornisce pochi dettagli sul flusso di calore e sui modelli termici, quando presenti. Gli articoli sono semplicistici e hanno poche giustificazioni rigorose.

Poiché la temperatura di giunzione nominale massima, Tj, max, è spesso il principale fattore limitante nei progetti, è fondamentale per i progettisti di sistemi di alimentazione capire come e perché è possibile ottenere prestazioni termiche elevate. Tale comprensione fornisce fiducia nel design; quindi, abbreviando i cicli di progettazione, riducendo la quantità e la gravità dei test richiesti, aumentando l'affidabilità e riducendo i costi complessivi.

In molti progetti che utilizzano semiconduttori di potenza a montaggio superficiale, PCB e Transistor-l'interfaccia dissipatore di calore forma il primo collo di bottiglia al flusso di calore [4]. Nei casi in cui viene utilizzato un dissipatore di calore, il ruolo del PCB nella dissipazione del calore viene spesso trascurato, ma in realtà è un percorso significativo per il flusso di calore. Il contributo del PCB all'estrazione del calore è significativo anche per FET eGaN CSP molto piccoli dove, in progetti pratici, tali FET possono ottenere prestazioni termiche dalla giunzione all'ambiente alla pari, o addirittura migliori, di MOSFET Si molto più grandi.

Se combinato con le prestazioni elettriche superiori dei FET eGaN, è possibile ridurre le dimensioni, aumentare i livelli di potenza e abbassare le temperature di esercizio. Ciò può essere mostrato utilizzando simulazioni 3D dettagliate agli elementi finiti di layout PCB tipici in combinazione con la verifica sperimentale.

Per le applicazioni ad alta potenza, o quelle che operano in ambienti con una temperatura ambiente elevata, vengono utilizzati dissipatori di calore per trasferire l'energia termica all'ambiente circostante. Un tipico approccio di gestione termica per un FET eGaN CSP prevede l'applicazione di un materiale di interfaccia termica (TIM) elettricamente isolante alla superficie superiore del FET montato e il fissaggio meccanico di un dissipatore di calore su di esso. In questa configurazione, i distanziatori vengono spesso utilizzati per garantire che il dissipatore di calore abbia una distanza sufficiente dalla superficie superiore del FET alla superficie rivolta verso il dissipatore di calore al fine di soddisfare entrambi i requisiti di tensione e assorbire le variazioni meccaniche, come mostrato nella Figura 1.

La figura 2 mostra i vari percorsi del flusso di calore per il gruppo termico precedentemente descritto. Intuitivamente, sembra che il flusso di calore dalla parte superiore e dai lati del FET a scala di chip domini a causa del breve percorso attraverso il TIM, mentre, in effetti, il flusso di calore che segue il percorso del dissipatore di calore PCBTIM è anche un grande contributo al calore rimozione.

A causa del legame metallico di saldatura, il FET ha un'eccellente connessione termica con il rame sul PCB. Il PCB diffonde efficacemente il calore poiché la conducibilità termica del rame è di circa due ordini di grandezza superiore alla TIM. Sebbene il calore dal PCB al dissipatore di calore debba fluire attraverso uno spessore TIM 2-5 volte più grande del percorso dal FET al dissipatore di calore, la sezione trasversale effettiva di TIM in questo percorso può essere maggiore di 10 volte l'area della superficie esposta del FET, poiché la sua area è proporzionale al quadrato del raggio del cilindro formato dall'applicazione del materiale di interfaccia termica. Quindi, il contributo del percorso termico da PCB a dissipatore di calore deve essere preso in considerazione quando si analizza questo approccio di gestione termica.

L'analisi di cui sopra può essere eseguita utilizzando gli strumenti del metodo degli elementi finiti 3D (FEM). Un circuito stampato a mezzo ponte per FET eGaN costituisce il caso di riferimento. Questo PCB ha un layout ottimizzato per le migliori prestazioni elettriche [5] e utilizza una struttura a 4 strati di lamina di rame da 70 mm, dielettrico FR408 e ha uno spessore totale di 1.6 mm (62 mil). Un volume di mastice termicamente conduttivo viene posto sui FET montati e nelle immediate vicinanze come mostrato nella Figura 3. Un dissipatore di calore viene posizionato sui FET con uno spazio tra il lato superiore del FET e la superficie del dissipatore di calore rivolto verso l'alto. La scheda ha colate di rame con fessure isolanti e un sottoinsieme di vie che verrebbero utilizzate in un design tipico. Un punto chiave è che le migliori prestazioni elettriche spingono il progettista a mettere più rame nelle immediate vicinanze del FET, a vantaggio anche delle prestazioni termiche.

Tabella I: materiali di interfaccia termica (TIM) utilizzati negli esperimenti riportati in questo articolo

Risultati sperimentali È stata condotta una serie di esperimenti fisici per verificare queste simulazioni e per comprendere ulteriormente gli effetti pratici sul FET, come l'impedenza di contatto termico. È stato ottenuto un buon accordo tra i risultati empirici e le simulazioni, che ha supportato la fiducia nelle simulazioni.

È stata eseguita un'analisi dei costi con il materiale più costoso da 10 W / m / K (TGPP10-50G). Un cilindro di materiale del diametro di 10 mm che circonda il FET ha un volume di circa 70 ml. Per tassi di produzione moderati, il costo per FET TIM è inferiore a $ 0.01 US.

Sommario

I FET eGaN su scala ridotta hanno eccellenti prestazioni termiche quando montati su un PCB progettato per le migliori prestazioni elettriche. Queste prestazioni si ottengono con soluzioni termiche semplici, realizzabili ed economiche.