氮化镓晶体管封装的先进性和热建模分析

引言 近三年来，可替代功率MOSFET器件的基于氮化镓晶体管产品系列已非常广阔[1]。除了优异的传导性能外，这些新一代器件的开关速度比传统硅器件要快十倍。这些卓越的特性不仅催生了许多新应用，同时对封装和热管理方面的要求也更为严格。本文主要讨论在高功率密度系统中，使用触点阵列(Land Grid Array/LGA)封装的高性能增强型eGaN? FET所具有的优势，以及如何面对在热管理方面所遇到的挑战。 理想封装 随着过去几年低压硅MOSFET性能的不断改善，缺乏高性能封装已经成为一个主要因素，使器件性能受限，这激励了业界开发出像DirectFET[2]及PolarPAK [3]的创新封装。那么高性能封装主要的要求是什么？而什么样的封装才是“理想”封装？ 半导体器件封装是要(a)提高鲁棒性；(b)防止器件被环境破坏；及(c)易于使用。当在较高电压工作时，有些封装是需要符合器件之间的电压隔离和漏电方面的要求。然而，与半导体裸片相比，由于封装增加了制造成本、导通电阻、电感和体积，这样会降低器件的电气性能和热性能。 一个优异的高性能封装，在可以实现所需封装的优势之同时，能够把封装引致的弊端减至最少。在电压低于约200V时工作，无引线、双面冷却封装如DirectFET、PolarPAK、chip scale或LGA成为一个先进的解决方案。封装的选择很大程度上取决于器件的结构是垂直还是横向。具横向结构的器件采用芯片级封装(如Great Wall公司的 BGA MOSFET[4])；而垂直结构、“倒装”器件则需要把大电流基板端子引至PCB(如DirectFET或PolarPAK 封装)。与此类似的，是采用LGA封装的宜普eGaN器件 (见图1)，使用源极和漏极端子的交叉手指形状，把导通电阻和寄生电感减至最小。

图1：EPC2001 eGaN FET的额定参数是100V、7mΩ和25A。这种LGA封装的长度是4.1mm，宽度是1.6mm。
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表1比较了eGaN FET与相同导通电阻的MOSFET的尺寸分别。eGaN FET拥有高效率的芯片级LGA封装和更小晶片尺寸的双重优势，能显著减小其在PCB上所占用的总体面积。

表1：采用不同封装的功率MOSFET与采用LGA封装的eGaN FET之间的比较。
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封装电阻 功率晶体管封装的电阻直接影响最终产品的性能。图2估计不同标准功率封装的封装电阻[5]。DirectFET、PolarPAK和LGA封装格式所增加的封装电阻，可以达到低至两百微欧(不包括PCB铜线电阻)。

图2：估计不同功率封装的无晶片封装电阻值。这里是指EPC2001, EPC2015 及EPC2010的电阻值。较小的晶片的电阻值会较高。
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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 封装电感 封装电感也会降低晶体管和电路性能，特别是当器件在纳秒范围内时开关[5]。封装电感的增加，会引起各种效应，这是取决于晶片的那一个端子具封装电感。共源电感(封装内连接到源极端子的电感，承载着漏极和栅极返回电流)会从反向栅极电压中，降低器件开关速度，以致显著增加开关损耗。图3对LGA的封装电感与一些标准功率封装的估计值进行了比较。

图3：估计不同功率封装的无晶片封装电感值。这里是指EPC2001, EPC2015 及EPC2010的电感值。较小的晶片的电感值会较高。
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封装热阻 图4描述了LGA封装中主要的热阻元件。热量通过锡条，从晶体管结点传导到电路板，或通过硅基板向上传导。如果使用了一个散热器，热量还是必须经过热界面化合物和散热器。参考表2可以了解各种类型eGaN FET器件的热阻值。从表2可以看出，到安装器件背面(硅面)的热阻要比到PCB的热阻低得多。因此，设计师可以像图4那样放置一个散热器，可以极大地增强器件处理功耗的能力。

图4：安装在PCB上的eGaN FET的横截面（不按比例）示意图，在表面安装的散热器用于增强冷却效能。
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表2：eGaN FET热阻[6]
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为了展示含和不含散热器时，器件性能的区别，我们首先测量EPC9006演示板中的两个EPC2007 eGaN FET的结点温度。该演示板被配置为不含散热器的降压转换器。每个eGaN FET的功耗是0.6W，在环境温度约为28℃下，结点温度达70℃(见图5)。

图5：在环境温度约为28℃下及不使用散热器，并安装在标准FR4 4-层、2安士铜PCB，所测到每个EPC2007 eGaN FET功耗为0.6W，此时结温上升达70℃。
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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 为了改善热性能，在eGaN FET上面增加了一个面积为15平方毫米、高为9.5mm的鳍形散热器(见图6和图7)。散热器手册给出的数据是在200LFM空气流动速率条件下，热阻为12℃/W。为了确保在散热器和30mil厚晶片(762微米)之间有足够的空间，在一半的散热器面积上，使用了Gap Pad? GP 1500 (60 mil/1.5mm厚)材料[7]把散热器与电路板连接在一起，同时覆盖eGaN FET的区域用了两层Sarcon 30x-m[8]填充。两层的总厚度是60mil(1.5mm)，在压紧后能够紧贴在晶片周围。这样能让晶片从侧边以及背面导热。散热器位置作了一点偏移，仅仅覆盖eGaN FET，目的是能够使用热红外线(IR)相机测量到器件旁的PCB温度。

图6：使用EPC9006的45V输入至22V输出、6A、4MHz降压转换器。
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图7：标准(左)和修改后的(右)EPC9006开发板。
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这里使用电气等效网络，开发了两个分析热性能模型。第一个模型见图8，是针对不含散热器的EPC9006开发板而开发的。在以下附加假设条件下，使用图4所示的物理参数，以及表2所示的EPC2007数据手册信息，便可以获得测量到的数据。 1. 在没有空气流动的情况下（见图8的R?CA1 and R?CA2 ），eGaN FET背面到环境空气的热阻是133℃/W； 2. 在PCB上，相邻的两个FET之间的耦合热阻(图8中的R2和R3)是10℃/W； 3. 在静止空气中，透过PCB到环境的热阻(图8中的R5)是60℃/W。

图8：在静止空气中，不含散热器的EPC9006开发板的电气等效电路模型。
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第二个模型基于相同的EPC9006开发板，但配置为用于包络跟踪系统[9]的高频降压转换器。在这种情况下，PCB上将有更多的功耗元件。最显著的热源是电感[10]和栅极驱动器IC[11]。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 散热器的热阻(R?HA)约为12℃/W(空气流动速率为200 LFM时)，热界面材料的热阻(R?TIM)约为5.5℃/W。因为空气流动时也会吹过PCB，因此有效PCB热阻(R5)将从70℃/W(10Ω串联60Ω)降低到15℃/W(10 ? 串联5 ?)。除了两个FET的功耗外，在修改过的模型中，还包含了从电感和驱动器IC到PCB的额外1.82W功耗输入(I3)。

图9：含散热器，包括电感和栅极驱动器IC功耗的EPC9006开发板的电气等效电路模型。
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我们对该模型进行了测试，并将测试结果与配置为4MHz、45V输入电压、22V输出电压的降压转换器电路的实际工作结果作出了比较 （见图10）。

图10：工作在4MHz, 45V输入电压, 22V输出电压及含一个散热器的EPC9006开发板的效率和功率损失。
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图11：在使用一个散热器和200 LFM空气流动速率条件下的PCB、散热器和器件结点的温度值。三角形代表实际测量值。
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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 图11给出了在使用了一个散热器和200 LFM空气流动速率条件下的PCB、散热器和器件结点的温度值。红三角代表使用红外线相机测量得到，与底部FET紧邻(器件#2)的PCB温度，蓝三角代表与顶部FET紧邻(器件#1)的PCB温度。图12显示了通过散热器和PCB的估计流动功耗。值得注意的是，上面的FET所耗功率，约为下面FET的10倍(4.8W对0.5W)。这是因为上面的器件具有更高的开关损耗。在4.8W功耗中，有3.3W通过散热器散发出去，有1.5W通过PCB传导出去——每个路径的相对热阻，基本上呈正比关系。

图12：含散热器的EPC9006开发板的估计热图形。
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结论 采用LGA封装的eGaN FET可以适合许多设计需要。作为一个理想封装，LGA封装在PCB上占用最小的面积，而且相对地没有附加电阻或电感。因此LGA能够帮助设计师把电源转换系统的尺寸缩至最小，并提高其效率。然而，减小了尺寸也带来了因提高了的功率密度而产生的散热问题，而放置散热器的方法表明可以显著地扩展eGaN FET的性能。从上述实验结果可以看到，我们利用一个简单散热器系统，不仅可以把eGaN FET的功耗处理能力增强5倍以上，而且可以通过创建分析模型，预测于实际电路工作时，其电路板、器件的结点及散热器的温度。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载