Понимание управления температурным режимом устройств на основе GaN в масштабе кристалла

Силовые полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG) внедряются в основные разработки из-за улучшения на порядок электрических показателей качества (FOM). Эти огромные улучшения производительности требуют пересмотра многих проектных допущений, включая управление температурным режимом [1].

В этой статье обсуждаются проблемы, возникающие в связи с управлением температурным режимом из-за увеличения удельной мощности, особенно при использовании упаковки в масштабе чипа (CSP). Однако иногда упускается из виду то, что силовые полевые транзисторы и интегральные схемы CSP eGaN® обладают превосходными тепловыми характеристиками при установке на стандартные печатные платы. схема платы (печатные платы) с простыми методами крепления радиаторов.

Например, CSP GaN FET с площадью основания 4 мм2 на стандартном 4-слойном печатная плата может достичь значений теплового сопротивления перехода к радиатору менее 4 К / Вт с помощью недорогих материалов и методов сборки и теплоотвода. В этой статье представлены анализ, моделирование и экспериментальная проверка. Кроме того, обсуждаются пути дальнейшего улучшения теплового режима.

В качестве примера рассмотрим случай с баком для поверхностного монтажа. Преобразователь синхронный выпрямитель, в котором доминирующими потерями являются потери проводимости. Полевой транзистор CSP eGaN, EPC2059, занимает 3.92 мм2 площади печатной платы для полевого транзистора 170 В, 9 мОм, в то время как современный 150 В, 16.5 мОм полевой транзистор с двусторонним охлаждением Si МОП-транзистор занимает почти в восемь раз больше площади печатной платы (30.9 мм2).

Если бы площадь отпечатка была доминирующим фактором, определяющим повышение температуры, чем больше Si MOSFET будет иметь повышение температуры примерно на 23% от температуры GaN для данного тока, даже несмотря на то, что полевой транзистор eGaN имеет гораздо более низкое сопротивление открытого состояния (RDS(on)). Однако на практике тепловые характеристики полевых транзисторов CSP eGaN находятся на одном уровне или даже лучше, чем у более крупных Si MOSFET. Этот, казалось бы, нелогичный результат и причины его неочевидны, поэтому требуется некоторое углубленное исследование.

Несколько публикаций демонстрируют, что полевые транзисторы eGaN в масштабе кристалла обладают превосходными абсолютными тепловыми характеристиками, несмотря на их гораздо меньшую площадь по сравнению с эквивалентными RDS (на). МОП-транзисторы, и что существуют практические методы монтажа радиатора [2, 3], как показано на рисунке 1, на котором показан простой метод крепления радиатора к полевым транзисторам CSP eGaN. К сожалению, в большинстве публикаций мало подробностей о тепловом потоке и тепловых моделях, если таковые имеются. Статьи упрощены и не имеют строгого обоснования.

Поскольку максимальная номинальная температура перехода Tj, max, часто является основным ограничивающим фактором при проектировании, проектировщикам энергосистем очень важно понимать, как и почему могут быть достигнуты высокие тепловые характеристики. Такое понимание дает уверенность в дизайне; Таким образом, сокращаются циклы проектирования, уменьшается количество и серьезность необходимых испытаний, повышается надежность и снижаются общие затраты.

Во многих конструкциях, использующих силовые полупроводники для поверхностного монтажа, печатная плата и ТранзисторИнтерфейс -к-радиатор образует первое узкое место в тепловом потоке [4]. В тех случаях, когда используется радиатор, ролью печатной платы в рассеивании тепла часто пренебрегают, но на самом деле это важный путь для теплового потока. Вклад печатной платы в отвод тепла значителен даже для очень маленьких полевых транзисторов CSP eGaN, где в практических конструкциях такие полевые транзисторы могут достигать тепловых характеристик от перехода до окружающей среды на уровне или даже лучше, чем у гораздо более крупных Si MOSFET.

В сочетании с превосходными электрическими характеристиками полевых транзисторов eGaN можно уменьшить размер, повысить уровни мощности и снизить рабочие температуры. Это можно продемонстрировать с помощью детального трехмерного моделирования типовых схем печатных плат методом конечных элементов в сочетании с экспериментальной проверкой.

Для приложений с высокой мощностью или тех, которые работают в среде с высокой температурой окружающей среды, используются радиаторы для передачи тепловой энергии в окружающую среду. Типичный подход к управлению температурой для полевого транзистора CSP eGaN включает нанесение электроизоляционного материала термоинтерфейса (TIM) на верхнюю поверхность установленного полевого транзистора и механическое прикрепление к нему радиатора. В этой конфигурации часто используются прокладки, чтобы обеспечить достаточное расстояние радиатора от верхней поверхности полевого транзистора до лицевой поверхности радиатора, чтобы удовлетворить как требованиям по противостоянию напряжения, так и поглотить механические колебания, как показано на рисунке 1.

На рис. 2 показаны различные пути теплового потока для ранее описанного теплового узла. Интуитивно кажется, что поток тепла от верхней и боковых сторон полевого транзистора в масштабе кристалла преобладает из-за короткого пути через TIM, тогда как на самом деле тепловой поток, идущий по пути PCBTIM-теплоотвод, также является большим вкладом в тепло. удаление.

Благодаря металлической пайке полевой транзистор имеет отличное тепловое соединение с медью на печатной плате. Печатная плата эффективно распределяет тепло, поскольку теплопроводность меди примерно на два порядка выше, чем у TIM. Хотя тепло от печатной платы к радиатору должно проходить через TIM, толщина которого в 2-5 раз больше, чем путь от полевого транзистора к радиатору, эффективное поперечное сечение TIM на этом пути может быть более чем в 10 раз больше открытой площади поверхности. полевого транзистора, поскольку его площадь пропорциональна квадрату радиуса цилиндра, образованного нанесением материала термоинтерфейса. Следовательно, при анализе этого подхода к управлению температурой необходимо учитывать вклад теплового тракта от печатной платы к радиатору.

Вышеупомянутый анализ может быть выполнен с использованием инструментов метода трехмерных конечных элементов (МКЭ). Полумостовая печатная плата для полевых транзисторов eGaN образует базовый корпус. Эта печатная плата имеет компоновку, оптимизированную для достижения наилучших электрических характеристик [3], и использует 5-слойную конструкцию из 4-миллиметровой медной фольги, диэлектрика FR70, и имеет общую толщину 408 мм (1.6 мил). Объем теплопроводящей замазки помещается на смонтированные полевые транзисторы и в непосредственной близости, как показано на рисунке 62. Радиатор помещается над полевыми транзисторами с зазором между верхней стороной полевого транзистора и обращенной к поверхности радиатора. Плата имеет медные заливки с изолирующими зазорами и подмножество переходных отверстий, которые могут использоваться в типовой конструкции. Ключевым моментом является то, что наилучшие электрические характеристики побуждают разработчика размещать как можно больше меди в непосредственной близости от полевого транзистора, что также улучшает тепловые характеристики.

Таблица I: Материалы термоинтерфейса (TIM), использованные в экспериментах, описанных в этой статье

Экспериментальные результаты Для проверки этого моделирования и дальнейшего понимания практических эффектов на полевой транзистор, таких как сопротивление теплового контакта, была проведена серия физических экспериментов. Было получено хорошее согласие между эмпирическими результатами и моделированием, что подтвердило уверенность в моделировании.

Анализ затрат был проведен с более дорогим материалом 10 Вт / м / К (TGPP10-50G). Цилиндр из материала диаметром 10 мм, окружающий полевой транзистор, имеет объем примерно 70 мл. Для умеренных объемов производства стоимость TIM на каждый полевой транзистор составляет менее 0.01 доллара США.

Обзор

Небольшие полевые транзисторы eGaN в масштабе микросхемы обладают отличными тепловыми характеристиками при установке на печатную плату, которая предназначена для обеспечения наилучших электрических характеристик. Такие характеристики достигаются с помощью простых, удобных в изготовлении и экономичных решений по тепловому охлаждению.