Geniş bant aralıklı (WBG) güç yarı iletkenleri, elektriksel değerlerdeki (FOM'ler) büyüklük sırası iyileştirmeleri nedeniyle ana akım tasarımlara uyarlanıyor. Bu devasa performans iyileştirmeleri, termal yönetim de dahil olmak üzere birçok tasarım varsayımının yeniden gözden geçirilmesini gerektiriyor [1].
Bu makalede, özellikle çip ölçekli paketleme (CSP) ile artan güç yoğunluğu nedeniyle termal yönetimin ortaya çıkardığı zorluklar tartışılmaktadır. Ancak bazen gözden kaçırılan şey, CSP eGaN® güç FET'lerinin ve entegre devrelerin, standart baskılı üzerine monte edildiğinde mükemmel termal performansa sahip olmasıdır. devre Isı emicilerini takmak için basit yöntemlerle kartlar (PCB'ler).
Örneğin, standart 4 katmanlı bir katmanda 2 mm4 ayak izine sahip bir CSP GaN FET pcb düşük maliyetli montaj ve ısı emici malzemeleri ve teknikleriyle bağlantı noktasından ısı emiciye 4 K/W'tan daha düşük termal direnç değerleri elde edilebilir. Bu makalede analiz, simülasyon ve deneysel doğrulama sağlanmaktadır. Ek olarak, daha fazla termal iyileştirmeye yönelik yollar tartışılmaktadır.
Örnek olarak yüzeye monteli kovanın durumunu düşünün Dönüştürücü Baskın kaybın iletim kaybı olduğu senkron doğrultucu. Bir CSP eGaN FET, EPC2059, 3.92V, 2 mΩ FET için 170 mm9 PCB alanı kaplar; son teknoloji ürünü 150V, 16.5 mΩ çift taraflı soğutmalı Si MOSFET 30.9 mm2 ile kart PCB alanının neredeyse sekiz katını kaplar.
Eğer ayak izi alanı sıcaklık artışını belirleyen baskın faktör olsaydı, Si ne kadar büyük olursa mosfet eGaN FET'in açık direnci (RDS(açık)) çok daha düşük olmasına rağmen, belirli bir akım için GaN'nin yaklaşık %23'ü kadar bir sıcaklık artışına sahip olacaktır. Ancak pratikte CSP eGaN FET'lerin termal performansı, daha büyük Si MOSFET'lerle aynı veya onlardan daha iyi görünüyor. Görünüşte mantığa aykırı olan bu sonuç ve bunun nedenleri açık değildir, dolayısıyla derinlemesine bir araştırma yapılması gerekmektedir.
Çeşitli yayınlar, çip ölçekli eGaN FET'lerin, eşdeğer RDS(on) ile karşılaştırıldığında çok daha küçük alanlara rağmen mükemmel mutlak termal performansa sahip olduğunu göstermektedir. mosfetlerve CSP eGaN FET'lere bir ısı emici takmak için basit bir yöntemi gösteren Şekil 2'de gösterildiği gibi pratik ısı emici montaj yöntemleri mevcuttur [3, 1]. Ne yazık ki çoğu yayın, mevcut olduğunda ısı akışı ve termal modeller hakkında çok az ayrıntı vermektedir. Makaleler basittir ve çok az kesin gerekçeye sahiptir.
Maksimum nominal bağlantı sıcaklığı Tj,max genellikle tasarımlarda ana sınırlayıcı faktör olduğundan, güç sistemi tasarımcılarının yüksek termal performansın nasıl ve neden elde edilebileceğini anlaması çok önemlidir. Bu anlayış tasarıma güven sağlar; böylece tasarım döngüleri kısaltılır, gerekli testlerin miktarı ve ciddiyeti azaltılır, güvenilirlik artar ve genel maliyet azalır.
Yüzeye monte güç yarı iletkenlerini kullanan birçok tasarımda PCB ve TransistorIsı emici arayüzü, ısı akışındaki ilk darboğazı oluşturur [4]. Bir soğutucunun kullanıldığı durumlarda, PCB'nin ısı dağıtımındaki rolü sıklıkla ihmal edilir, ancak aslında bu, ısı akışı için önemli bir yoldur. PCB'nin ısıyı çıkarmaya katkısı, çok küçük CSP eGaN FET'ler için bile önemlidir; pratik tasarımlarda bu tür FET'ler, çok daha büyük Si MOSFET'lerle aynı seviyede veya hatta onlardan daha iyi bir bağlantı noktasından ortama termal performans elde edebilir.
eGaN FET'lerin üstün elektrik performansıyla birleştirildiğinde boyut küçültülebilir, güç seviyeleri artırılabilir ve çalışma sıcaklıkları düşürülebilir. Bu, deneysel doğrulamayla birlikte tipik PCB düzenlerinin ayrıntılı 3 boyutlu sonlu eleman simülasyonları kullanılarak gösterilebilir.
Yüksek güçlü uygulamalarda veya ortam sıcaklığının yüksek olduğu ortamlarda çalışan uygulamalarda, ısı enerjisini ortam ortamına aktarmak için soğutucular kullanılır. Bir CSP eGaN FET için tipik bir termal yönetim yaklaşımı, monte edilmiş FET'in üst yüzeyine elektriksel olarak yalıtkan bir termal arayüz malzemesinin (TIM) uygulanmasını ve bunun üzerine bir ısı emicinin mekanik olarak bağlanmasını içerir. Bu konfigürasyonda, Şekil 1'de gösterildiği gibi hem voltaj uzaklık gereksinimlerini karşılamak hem de mekanik değişiklikleri absorbe etmek amacıyla ısı emicinin FET'in üst yüzeyinden ısı emicinin bakan yüzeyine kadar yeterli mesafeye sahip olmasını sağlamak için ara parçalar sıklıkla kullanılır.
Şekil 2, daha önce açıklanan termal düzeneğe yönelik çeşitli ısı akış yollarını göstermektedir. Sezgisel olarak, TIM'den geçen kısa yol nedeniyle çip ölçekli FET'in üst ve yanlarından gelen ısı akışının baskın olduğu görülüyor, oysa aslında PCBTIM-soğutma emici yolunu takip eden ısı akışının da ısıya büyük katkısı var. kaldırma.
Lehim metalik bağı nedeniyle FET, PCB üzerindeki bakır ile mükemmel bir termal bağlantıya sahiptir. Bakırın termal iletkenliği TIM'den yaklaşık iki kat daha yüksek olduğundan PCB ısıyı etkili bir şekilde yayar. PCB'den ısı emiciye giden ısının, FET'ten ısı emiciye giden yoldan 2-5 kat daha büyük bir TIM kalınlığından akması gerekmesine rağmen, TIM'in bu yoldaki etkin kesiti, maruz kalan yüzey alanının 10 katından daha büyük olabilir. FET'in alanı, termal arayüz malzemesinin uygulanmasıyla oluşturulan silindirin yarıçapının karesiyle orantılı olduğundan. Bu nedenle, bu termal yönetim yaklaşımını analiz ederken PCB'den ısı emiciye termal yolun katkısı dikkate alınmalıdır.
Yukarıdaki analiz, 3D sonlu elemanlar yöntemi (FEM) araçları kullanılarak gerçekleştirilebilir. eGaN FET'ler için yarım köprü PCB temel durumu oluşturur. Bu PCB, en iyi elektrik performansı için optimize edilmiş bir düzene sahiptir [5] ve 4 katmanlı 70 mm bakır folyo, FR408 dielektrik yapı kullanır ve toplam kalınlığı 1.6 mm'dir (62 mils). Şekil 3'te gösterildiği gibi monte edilen FET'lerin üzerine ve yakın çevresine bir miktar termal iletken macun yerleştirilir. FET'lerin üzerine, FET'in üst tarafı ile ısı emici yüzeye bakan bir boşluk olacak şekilde bir ısı emici yerleştirilir. Kartta, tipik bir tasarımda kullanılacak yalıtım boşlukları ve bir dizi yol içeren bakır dökümler bulunur. Önemli bir nokta, en iyi elektriksel performansın tasarımcıyı FET'in yakın çevresine olabildiğince fazla bakır koymaya itmesidir, bu da termal performansa da fayda sağlar.
| TIM parça numarası | Termal iletkenlik [A/m/K] |
Power [K] |
ΔT [K] (FET yayıcıya) |
Ölçülü Rθ [K/W] |
taklit Rθ [K/W] |
| 65-00-GEL30-0010 | 3.5 | 1.06 | 6.62 | 6.2 | 6.1 |
| TG-PP10-50G | 10 | 5.06 | 25.6 | 5.1 | 5.1 |
Tablo I: Bu Makalede Bildirilen Deneylerde Kullanılan Termal Arayüz Malzemeleri (TIM)
Deneysel Sonuçlar Bu simülasyonları doğrulamak ve termal temas empedansı gibi FET üzerindeki pratik etkileri daha iyi anlamak için bir dizi fiziksel deney gerçekleştirildi. Ampirik sonuçlar ve simülasyonlar arasında iyi bir uyum elde edildi ve bu da simülasyonlara olan güveni destekledi.
Daha pahalı olan 10 W/m/K (TGPP10-50G) malzemeyle maliyet analizi yapıldı. FET'i çevreleyen 10 mm çapındaki malzeme silindiri yaklaşık 70 ml hacme sahiptir. Orta düzeydeki üretim hızları için FET başına TIM maliyeti 0.01 ABD Dolarından azdır.
Özet
Küçük çip ölçekli eGaN FET'ler, en iyi elektrik performansı için tasarlanmış bir PCB'ye monte edildiğinde mükemmel termal performansa sahiptir. Bu performans basit, üretilebilir ve uygun maliyetli termal çözümlerle elde edilir.