הבנת ניהול תרמי של התקני GaN בקנה מידה שבבי

מוליכים למחצה חשמליים רחבים (WBG) מאומצים לתכנונים מיינסטרים עקב שיפורים בסדר גודל בנתוני הכמויות החשמליים (FOM). שיפורי ביצועים עצומים אלה דורשים בדיקה חוזרת של הנחות תכנון רבות, כולל ניהול תרמי [1].

מאמר זה דן באתגרים שניהול תרמי מעורר עקב צפיפות הספק מוגברת, במיוחד עם אריזה בקנה מידה שבב (CSP). עם זאת, מה שלעתים מתעלמים ממנו, הוא ש-CSP eGaN® Power FET ומעגלים משולבים הם בעלי ביצועים תרמיים מצוינים כשהם מותקן על מודפס סטנדרטי מעגל לוחות (PCB) בשיטות פשוטות לחיבור גופי קירור.

לדוגמא, CSP GaN FET עם טביעת רגל של 4 מ"מ על שכבה רגילה עם 2 שכבות PCB יכול להשיג ערכי התנגדות תרמית של צומת לחום של פחות מ -4 K / W עם חומרים וטכניקות של הרכבה וקירור בעלות נמוכה. ניתוח, סימולציה ואימות ניסיוני ניתנים במאמר זה. בנוסף נדונים מסלולים לשיפור תרמי נוסף.

כדוגמה, שקול את המקרה של באק תלייה על פני השטח מֵמִיר מיישר סינכרוני, כאשר ההפסד הדומיננטי הוא אובדן הולכה. CSP eGan FET, ה-EPC2059, תופס 3.92 מ"מ של שטח PCB עבור 2V, 170 mΩ FET, ואילו 9V, 150 mΩ מקורר דו-צדדי Si MOSFET תופסת כמעט שמונה משטח ה- PCB הלוח ב 30.9 מ"מ.

אם שטח טביעת הרגל היה הגורם הדומיננטי הקובע עליית טמפרטורה, Si גדול יותר MOSFET תהיה עליית טמפרטורה של כ-23% מזו של GaN עבור זרם נתון, למרות של-eGaN FET יש התנגדות הפעלה נמוכה בהרבה (RDS(on)). עם זאת, בפועל, נראה שהביצועים התרמיים של CSP eGaN FETs עומדים בשוויון או טובים יותר מ-Si MOSFETs גדולים יותר. תוצאה לכאורה נוגדת אינטואיציה זו, והסיבות לה, אינן ברורות, ולכן נדרשת חקירה מעמיקה.

מספר פרסומים מראים כי eGaN FETs בקנה מידה שבבי הם בעלי ביצועים תרמיים מוחלטים מצוינים למרות שטחם הקטן בהרבה בהשוואה ל- RDS שווה ערך (on) מוספיםוכי קיימות שיטות הרכבה של קירור קירור מעשי [2, 3] כפי שמודגם באיור 1 המציג שיטה פשוטה להצמדת גוף קירור ל- CSP eGaN FETs. למרבה הצער, רוב הפרסומים מספקים מעט פרטים על זרימת החום והמודלים התרמיים, כאשר הם קיימים. המאמרים הם פשטניים ובעלי מעט הצדקה קפדנית.

מכיוון שטמפרטורת הצומת המדורגת המקסימלית, Tj, max, היא לעיתים קרובות הגורם המגביל העיקרי בתכנונים, חשוב שתכנני מערכות החשמל יבינו כיצד ומדוע ניתן להשיג ביצועים תרמיים גבוהים. הבנה כזו מספקת ביטחון בעיצוב; לפיכך, קיצור מחזורי התכנון, הקטנת כמות הבדיקות הנדרשות וחומרתן, הגדלת האמינות והפחתת העלות הכוללת.

בעיצובים רבים באמצעות מוליכים למחצה בעלי הספק משטח, ה-PCB וה- טרנזיסטורממשק לגוף קירור מהווה את צוואר הבקבוק הראשון לזרימת החום [4]. במקרים בהם נעשה שימוש בגוף קירור, תפקידו של ה-PCB בפיזור החום מוזנח לעיתים קרובות, אך מהווה, למעשה, נתיב משמעותי לזרימת חום. התרומה של ה-PCB להפקת חום היא משמעותית אפילו עבור CSP eGaN FETs קטנים מאוד, שבהם, בעיצובים מעשיים, FETs כאלה יכולים להשיג ביצועים תרמיים מהצומת לסביבה בשוויון או אפילו טוב יותר מ-Si MOSFETs גדולים בהרבה.

בשילוב עם ביצועים חשמליים מעולים של eGaN FET, ניתן להפחית את הגודל, להגביר את רמות ההספק ולהוריד את טמפרטורות הפעולה. ניתן להראות זאת באמצעות סימולציות אלמנטים סופיים תלת-ממדיים של פריסות PCB אופייניות בשילוב עם אימות ניסיוני.

עבור יישומי הספק גבוה, או כאלו הפועלים בסביבות עם טמפרטורת סביבה גבוהה, נעשה שימוש בכלי קירור להעברת אנרגיית החום לסביבת הסביבה. גישה טיפוסית לניהול תרמי עבור CSP eGaN FET כוללת יישום של חומר ממשק תרמי מבודד חשמלי (TIM) על המשטח העליון של ה- FET המותקן, וחיבור מכני של קירור על גבי זה. בתצורה זו, מרווחים משמשים לעיתים קרובות כדי להבטיח כי גוף הקירור יהיה מספיק מספיק מהמשטח העליון של ה- FET אל המשטח הפונה של גוף הקירור על מנת לעמוד הן בדרישות ממתק המתח והן בספיגת וריאציות מכניות, כפי שמוצג באיור 1.

איור 2 מציג את נתיבי זרימת החום עבור הרכבה התרמית שתוארה לעיל. באופן אינטואיטיבי נראה כי זרימת החום מלמעלה ומצדדיו של ה- FET בקנה מידה שבב שולטת בגלל הנתיב הקצר דרך ה- TIM, ואילו, למעשה, זרימת החום בעקבות נתיב גוף הקירור PCBTIM היא גם תורמת גדולה לחום. הֲסָרָה.

בשל הקשר המתכתי הלחמי, ל- FET יש חיבור תרמי מצוין עם הנחושת על PCB. ה- PCB מפיץ למעשה את החום מכיוון שהמוליכות התרמית של הנחושת גבוהה בערך בשתי סדרי גודל מה- TIM. למרות שהחום מה- PCB אל גוף הקירור חייב לזרום בעובי TIM פי 2-5 מהנתיב מה- FET אל גוף הקירור, החתך היעיל של TIM בנתיב זה עשוי להיות גדול מפי 10 משטח הפנים החשוף. של ה- FET, מכיוון ששטחו פרופורציונלי לריבוע רדיוס הגליל שנוצר על ידי יישום חומר הממשק התרמי. לפיכך, יש לקחת בחשבון את התרומה של הנתיב התרמי PCB לחום הכיור בעת ניתוח גישה זו לניהול תרמי.

ניתן לבצע את הניתוח הנ"ל באמצעות כלים בשיטת אלמנטים סופיים תלת-ממדיים (FEM). PCB חצי גשר עבור FETs eGaN מהווה את המקרה הבסיסי. PCB זה כולל פריסה המותאמת לביצועים החשמליים הטובים ביותר [3] ומשתמש בבניית 5 שכבות של רדיד נחושת 4 מ"מ, דיאלקטרי FR70, ועובי כולל של 408 מ"מ (1.6 מייל). נפח של מרק מוליך תרמית ממוקם על ה- FETs המותקנים ובסביבה המיידית כפי שמוצג באיור 62. גוף קירור ממוקם מעל ה- FETs עם פער בין הצד העליון של ה- FET ופונה למשטח גוף הקירור. על הלוח יש שפכי נחושת עם פערים מבודדים ותת קבוצה של ויאס שישמשו בעיצוב אופייני. נקודת מפתח היא כי הביצועים החשמליים הטובים ביותר גורמים למעצב לשים נחושת רבה בסביבה הקרובה של ה- FET, מה שגם מיטיב עם הביצועים התרמיים.

טבלה I: חומרי ממשק תרמיים (TIM) המשמשים בניסויים המדווחים במאמר זה

תוצאות ניסוי סדרת ניסויים פיזיקליים נערכה כדי לאמת סימולציות אלו ולהבנת ההשפעות המעשיות על ה- FET, כמו עכבת מגע תרמית. הושג הסכמה טובה בין התוצאות האמפיריות והסימולציות, שתמכו בביטחון בסימולציות.

ניתוח עלויות נעשה עם החומר היקר יותר של 10 W / m / K (TGPP10-50G). גליל בקוטר 10 מ"מ של חומר המקיף את ה- FET בנפח של כ- 70 מ"ל. בשיעורי ייצור מתונים, עלות ה- TIM לכל FET נמוכה מ- $ 0.01 ארה"ב.

<br> סיכום

ל- eGaN FETs בקנה מידה קטן יש ביצועים תרמיים מצוינים כאשר הם מותקנים על גבי PCB המיועד לביצועים חשמליים הטובים ביותר. ביצועים אלה מתקבלים באמצעות פתרונות תרמיים פשוטים, ניתנים לייצור וחסכוניים.