ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการจัดการความร้อนของอุปกรณ์ GaN มาตราส่วนชิป

เซมิคอนดักเตอร์พลังงาน Wide bandgap (WBG) ถูกนำมาใช้ในการออกแบบกระแสหลักเนื่องจากการปรับปรุงลำดับความสำคัญของตัวเลขทางไฟฟ้า (FOM) การปรับปรุงประสิทธิภาพครั้งใหญ่เหล่านี้จำเป็นต้องมีการทบทวนสมมติฐานการออกแบบหลายประการรวมถึงการจัดการระบายความร้อน [1]

บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายที่การจัดการระบายความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับบรรจุภัณฑ์ขนาดชิป (CSP) อย่างไรก็ตาม บางครั้งสิ่งที่มองข้ามไปก็คือ CSP eGaN® power FET และวงจรรวมมีประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยมเมื่อติดตั้งบนสิ่งพิมพ์มาตรฐาน วงจรไฟฟ้า บอร์ด (PCB) พร้อมวิธีติดฮีตซิงก์แบบง่ายๆ

ตัวอย่างเช่น CSP GaN FET ที่มีขนาด 4 mm2 บน 4 ชั้นมาตรฐาน PCB สามารถบรรลุค่าความต้านทานความร้อนจากทางแยกไปยังตัวระบายความร้อนที่น้อยกว่า 4 K / W ด้วยวัสดุและเทคนิคการประกอบและตัวระบายความร้อนที่มีต้นทุนต่ำ การวิเคราะห์การจำลองและการตรวจสอบเชิงทดลองมีให้ในบทความนี้ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงแนวทางในการปรับปรุงการระบายความร้อนเพิ่มเติม

ตัวอย่างเช่น พิจารณากรณีของบัคเคิ้ลติดพื้นผิว Converter วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสซึ่งการสูญเสียที่โดดเด่นคือการสูญเสียการนำไฟฟ้า CSP eGaN FET, EPC2059 ใช้พื้นที่ 3.92 mm2 ของ PCB สำหรับ 170V, 9 mΩ FET ในขณะที่ 150V, 16.5 mΩ ที่ระบายความร้อนสองด้านที่ทันสมัย MOSFET ใช้พื้นที่เกือบแปดเท่าของพื้นที่บอร์ด PCB ที่ 30.9 มม. 2

หากพื้นที่รอยเท้าเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดอุณหภูมิที่สูงขึ้น Si ก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น MOSFET จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นประมาณ 23% ของ GaN สำหรับกระแสที่กำหนด แม้ว่า eGaN FET จะมีความต้านทานออนต่ำกว่ามาก (RDS(on)) อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ CSP eGaN FET ดูเหมือนจะเทียบเท่าหรือดีกว่า Si MOSFET ที่ใหญ่กว่า ผลลัพธ์ที่ดูเหมือนขัดกับสัญชาตญาณนี้และเหตุผลของผลลัพธ์นั้นไม่ชัดเจน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการสอบสวนเชิงลึก

สิ่งพิมพ์หลายฉบับแสดงให้เห็นว่า eGaN FET ระดับชิปมีประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยมแม้จะมีพื้นที่ที่เล็กกว่ามากเมื่อเทียบกับ RDS ที่เทียบเท่า (เปิด) มอสเฟตและวิธีการติดตั้งแผ่นระบายความร้อนที่ใช้งานได้จริงนั้นมีอยู่ [2, 3] ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ซึ่งแสดงวิธีการง่ายๆในการติดแผ่นระบายความร้อนเข้ากับ CSP eGaN FET น่าเสียดายที่สิ่งพิมพ์ส่วนใหญ่ให้รายละเอียดเล็กน้อยเกี่ยวกับการไหลของความร้อนและแบบจำลองการระบายความร้อนในปัจจุบัน บทความมีความเรียบง่ายและมีเหตุผลที่เข้มงวดเล็กน้อย

เนื่องจากอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุด Tj สูงสุดมักเป็นปัจจัย จำกัด หลักในการออกแบบจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักออกแบบระบบไฟฟ้าที่จะต้องทำความเข้าใจว่าทำไมจึงสามารถให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนสูงได้ ความเข้าใจดังกล่าวทำให้เกิดความมั่นใจในการออกแบบ ดังนั้นจึงทำให้วงจรการออกแบบสั้นลงลดปริมาณและความรุนแรงของการทดสอบที่จำเป็นเพิ่มความน่าเชื่อถือและลดต้นทุนโดยรวม

ในการออกแบบจำนวนมากโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลังติดตั้งบนพื้นผิว PCB และ ทรานซิสเตอร์-to-heat sink interface เป็นคอขวดแรกในการไหลเวียนของความร้อน [4] ในกรณีที่ใช้ฮีตซิงก์ บทบาทของ PCB ในการกระจายความร้อนมักถูกละเลย แต่ในความเป็นจริงแล้ว เป็นเส้นทางที่สำคัญสำหรับการไหลของความร้อน การมีส่วนร่วมของ PCB ในการดึงความร้อนมีความสำคัญแม้สำหรับ CSP eGaN FET ขนาดเล็กมาก ซึ่งในการออกแบบที่ใช้งานได้จริง FET ดังกล่าวสามารถบรรลุประสิทธิภาพการระบายความร้อนจากจุดเชื่อมต่อไปยังสภาพแวดล้อมเทียบเท่าหรือดีกว่า Si MOSFETs ที่ใหญ่กว่ามาก

เมื่อรวมกับประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่าของ eGaN FETs สามารถลดขนาดได้ระดับพลังงานเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิในการทำงานลดลง สิ่งนี้สามารถแสดงได้โดยใช้การจำลององค์ประกอบ จำกัด 3 มิติโดยละเอียดของโครงร่าง PCB ทั่วไปร่วมกับการตรวจสอบการทดลอง

สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานสูงหรือที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิแวดล้อมสูงจะใช้ฮีตซิงก์เพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ วิธีการจัดการระบายความร้อนโดยทั่วไปสำหรับ CSP eGaN FET เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุเชื่อมต่อความร้อนที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (TIM) กับพื้นผิวด้านบนของ FET ที่ติดตั้งและการติดแผ่นระบายความร้อนที่ด้านบนโดยอัตโนมัติ ในการกำหนดค่านี้มักใช้ตัวเว้นระยะเพื่อให้แน่ใจว่าตัวระบายความร้อนมีระยะห่างเพียงพอจากพื้นผิวด้านบนของ FET ถึงพื้นผิวที่หันหน้าไปทางของตัวระบายความร้อนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดในการป้องกันแรงดันไฟฟ้าและดูดซับรูปแบบเชิงกลดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 2 แสดงเส้นทางการไหลของความร้อนต่างๆสำหรับชุดระบายความร้อนที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ โดยสัญชาตญาณดูเหมือนว่าการไหลของความร้อนจากด้านบนและด้านข้างของ FET ระดับชิปจะครอบงำเนื่องจากเส้นทางสั้น ๆ ผ่าน TIM ในขณะที่ในความเป็นจริงการไหลของความร้อนตามเส้นทาง PCBTIM-heat sink ก็เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความร้อนเช่นกัน การกำจัด

เนื่องจากพันธะโลหะบัดกรี FET จึงมีการเชื่อมต่อทางความร้อนที่ดีเยี่ยมกับทองแดงบน PCB PCB กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากการนำความร้อนของทองแดงมีขนาดสูงกว่า TIM ประมาณสองคำสั่ง แม้ว่าความร้อนจาก PCB ไปยังแผ่นระบายความร้อนจะต้องไหลผ่านความหนาของ TIM ที่ใหญ่กว่าเส้นทางจาก FET ไปยังแผ่นระบายความร้อน 2-5 เท่า แต่การตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของ TIM ในเส้นทางนี้อาจมากกว่า 10 เท่าของพื้นที่ผิวสัมผัส ของ FET เนื่องจากพื้นที่เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของรัศมีของกระบอกสูบที่เกิดจากการใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน ดังนั้นจึงต้องคำนึงถึงการมีส่วนร่วมของเส้นทางระบายความร้อน PCB-to-Heat Sink เมื่อวิเคราะห์แนวทางการจัดการระบายความร้อนนี้

การวิเคราะห์ข้างต้นสามารถทำได้โดยใช้เครื่องมือ 3D finite element method (FEM) PCB แบบครึ่งสะพานสำหรับ eGaN FETs เป็นตัวพิมพ์พื้นฐาน PCB นี้มีโครงร่างที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีที่สุด [5] และใช้โครงสร้าง 4 ชั้นด้วยฟอยล์ทองแดง 70 มม., อิเล็กทริก FR408 และมีความหนารวม 1.6 มม. (62 ล้านบาท) ปริมาตรของผงสำหรับอุดรูนำความร้อนวางอยู่บน FET ที่ติดตั้งและบริเวณใกล้เคียงดังแสดงในรูปที่ 3 แผ่นระบายความร้อนวางอยู่เหนือ FET โดยมีช่องว่างระหว่างด้านบนของ FET และพื้นผิวแผ่นระบายความร้อนหันหน้าไปทาง บอร์ดมีการเททองแดงที่มีช่องว่างฉนวนและส่วนย่อยของจุดแวะพักที่จะใช้ในการออกแบบทั่วไป ประเด็นสำคัญคือประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีที่สุดผลักดันให้นักออกแบบใส่ทองแดงมากที่สุดในบริเวณใกล้เคียงกับ FET ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนด้วย

ตารางที่ XNUMX: วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่ใช้ในการทดลองที่รายงานในบทความนี้

ผลการทดลองชุดของการทดลองทางกายภาพได้ดำเนินการเพื่อตรวจสอบการจำลองเหล่านี้และเพื่อทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบในทางปฏิบัติของ FET เช่นความต้านทานต่อการสัมผัสทางความร้อน ข้อตกลงที่ดีระหว่างผลลัพธ์เชิงประจักษ์และการจำลองที่ได้รับซึ่งสนับสนุนความเชื่อมั่นในการจำลอง

การวิเคราะห์ต้นทุนทำได้โดยใช้วัสดุ 10 W / m / K (TGPP10-50G) ที่แพงกว่า วัสดุทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. รอบ FET มีปริมาตรประมาณ 70 มล. สำหรับอัตราการผลิตระดับปานกลางต้นทุนต่อ FET TIM จะน้อยกว่า $ 0.01 US

สรุป

eGaN FET แบบชิปขนาดเล็กมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยมเมื่อติดตั้งบน PCB ที่ออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีที่สุด ประสิทธิภาพนี้ได้มาจากโซลูชั่นระบายความร้อนที่เรียบง่ายผลิตได้และประหยัดค่าใช้จ่าย