チップスケールGaNデバイスの熱管理を理解する

ワイドバンドギャップ（WBG）パワー半導体は、電気性能指数（FOM）の桁違いの改善により、主流の設計に採用されています。 これらの大幅なパフォーマンスの向上には、熱管理を含む多くの設計上の仮定を再検討する必要があります[1]。

この記事では、特にチップスケール パッケージング (CSP) での電力密度の増加により生じる熱管理の課題について説明します。 ただし、見落とされがちなのは、CSP eGaN® パワー FET と集積回路は、標準的なプリント基板に実装された場合に優れた熱性能を発揮するということです。 回路 ヒートシンクを取り付けるための簡単な方法を備えたボード (PCB)。

たとえば、標準の4層に2mm4のフットプリントを持つCSPGaN FET PCB 低コストのアセンブリとヒートシンクの材料と技術を使用して、接合部からヒートシンクへの熱抵抗値を4 K / W未満にすることができます。 この記事では、分析、シミュレーション、および実験的検証について説明します。 さらに、さらなる熱改善への経路についても説明します。

例として、表面実装降圧型の場合を考えてみましょう。 コンバータ 同期整流器では、主な損失は伝導損失です。 CSP eGaN FET、EPC2059 は、3.92V、2 mΩ FET の PCB 面積 170 mm9 を占有しますが、最先端の 150V、16.5 mΩ 両面冷却 Si MOSFET 30.9mm2でボードPCB面積のほぼXNUMX倍を占めます。

フットプリント面積が温度上昇を決定する支配的な要因である場合、より大きなSi モスフェット eGaN FET のオン抵抗 (RDS(on)) がはるかに低いにもかかわらず、特定の電流に対して温度上昇は GaN の温度上昇の約 23% になります。 ただし、実際には、CSP eGaN FET の熱性能は、大型の Si MOSFET と同等か、それより優れているようです。 この一見直感に反する結果とその理由は明らかではないため、詳細な調査が必要です。

いくつかの出版物は、チップスケールのeGaN FETは、同等のRDS（on）と比較して面積がはるかに小さいにもかかわらず、優れた絶対熱性能を備えていることを示しています。 MOSFET、およびCSP eGaN FETにヒートシンクを取り付ける簡単な方法を示す図2に示すように、実用的なヒートシンクの取り付け方法が存在します[3、1]。 残念ながら、ほとんどの出版物は、存在する場合、熱流と熱モデルに関する詳細をほとんど提供していません。 記事は単純化されており、厳密な正当性はほとんどありません。

最大定格接合部温度Tj、maxは設計の主な制限要因であることが多いため、電力システムの設計者は、高い熱性能を実現する方法と理由を理解することが重要です。 このような理解は、設計への信頼をもたらします。 したがって、設計サイクルを短縮し、必要なテストの量と重大度を減らし、信頼性を高め、全体的なコストを削減します。

表面実装パワー半導体を使用する多くの設計では、PCB と トランジスタヒートシンクとのインターフェースが熱の流れに対する最初のボトルネックを形成します [4]。 ヒートシンクが使用される場合、熱放散における PCB の役割は無視されることがよくありますが、実際には、熱流の重要な経路となります。 熱の抽出に対する PCB の貢献は、非常に小型の CSP eGaN FET であっても重要であり、実際の設計では、このような FET は接合部から周囲までの熱性能を、はるかに大型の Si MOSFET と同等かそれ以上に達成できます。

eGaN FETの優れた電気的性能と組み合わせると、サイズを縮小し、電力レベルを上げ、動作温度を下げることができます。 これは、実験的な検証と組み合わせて、典型的なPCBレイアウトの詳細な3D有限要素シミュレーションを使用して示すことができます。

高電力アプリケーション、または周囲温度が高い環境で動作するアプリケーションの場合、ヒートシンクを使用して熱エネルギーを周囲環境に伝達します。 CSP eGaN FETの一般的な熱管理アプローチでは、取り付けられたFETの上面に電気絶縁性のサーマルインターフェイス材料（TIM）を塗布し、その上にヒートシンクを機械的に取り付けます。 この構成では、図1に示すように、電圧スタンドオフ要件を満たし、機械的変動を吸収するために、ヒートシンクがFETの上面からヒートシンクの対向面まで十分な距離を確保するためにスペーサーがよく使用されます。

図2は、前述のサーマルアセンブリのさまざまな熱流路を示しています。 直感的には、チップスケールのFETの上面と側面からの熱流は、TIMを通る経路が短いために支配的であるように見えますが、実際には、PCBTIM-ヒートシンク経路に続く熱流も熱の大きな要因です。除去。

はんだの金属結合により、FETはPCB上の銅との優れた熱接続を備えています。 銅の熱伝導率はTIMよりも約2桁高いため、PCBは熱を効果的に拡散します。 PCBからヒートシンクへの熱は、FETからヒートシンクへのパスの5〜10倍の厚さのTIMを通って流れる必要がありますが、このパスでのTIMの有効断面積は露出表面積のXNUMX倍を超える場合があります。その面積は熱界面材料の適用によって形成されたシリンダーの半径の二乗に比例するので、FETの。 したがって、この熱管理アプローチを分析する際には、PCBからヒートシンクへの熱経路の寄与を考慮に入れる必要があります。

上記の分析は、3D有限要素法（FEM）ツールを使用して実行できます。 eGaN FET用のハーフブリッジPCBは、ベースラインケースを形成します。 このPCBは、最高の電気的性能[5]に最適化されたレイアウトを持ち、4 mm銅箔、FR70誘電体の408層構造を使用し、総厚は1.6 mm（62ミル）です。 図3に示すように、大量の熱伝導性パテが取り付けられたFETとそのすぐ近くに配置されます。ヒートシンクは、FETの上面と面するヒートシンク表面の間にギャップを置いてFETの上に配置されます。 ボードには、絶縁ギャップのある銅の注入口と、一般的な設計で使用されるビアのサブセットがあります。 重要な点は、最高の電気的性能により、設計者はFETのすぐ近くにできるだけ多くの銅を配置するようになり、熱性能にもメリットがあります。

表I：この記事で報告された実験で使用されたサーマルインターフェースマテリアル（TIM）

実験結果これらのシミュレーションを検証し、熱接触インピーダンスなどのFETへの実際の影響をさらに理解するために、一連の物理実験を実施しました。 経験的結果とシミュレーションの間で良好な一致が得られ、シミュレーションの信頼性が裏付けられました。

コスト分析は、より高価な10 W / m / K（TGPP10-50G）材料を使用して行われました。 FETを囲む直径10mmの材料のシリンダーは、約70mlの体積を持っています。 適度な生産率の場合、FETあたりのTIMコストは0.01米ドル未満です。

まとめ

小さなチップスケールのeGaNFETは、最高の電気的性能を発揮するように設計されたPCBに取り付けると、優れた熱性能を発揮します。 この性能は、シンプルで製造可能で費用効果の高い熱ソリューションで得られます。