氮化鎵 (GaN) 封裝的諸多挑戰(zhàn)

作者：時間：2022-04-07 來源：EETOP

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EETOP編譯整理自techinsights

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202204/432829.htm

　　在處理氮化鎵（GaN）時，與硅(Si)相比，還有兩個額外的考慮因素可以優(yōu)化器件性能。

　　由于GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面上的二維電子氣體(2DEG)通道，GaN具有快速開關(guān)的潛力。

　　氮化鎵的導熱性相對較差。(在300K時約1.3W/cm.K，而硅(Si)為1.49W/cm.K和碳化硅（SiC）為3.7W/cm.K)

　　雖然體積熱導率并不明顯低于硅，但請記住更高的電流密度-它被限制在異質(zhì)結(jié)周圍的一個小區(qū)域。

漸進式的改進

　　雖然不理想，但傳統(tǒng)的硅封裝可以而且已經(jīng)被用來封裝寬禁帶（WBG）器件，如GaN。TO-247封裝通常用于硅功率MOSFET和IGBT，其中芯片的底部(即漏極或集電極接觸點)直接與銅引線框架粘合。在應用中使用時，標準做法是利用通孔開口將其直接安裝到散熱器上。

　　這個想法相當好地轉(zhuǎn)移到了碳化硅MOSFET上，它們與硅對應物具有相似的結(jié)構(gòu)。然而，今天的GaN器件是一種橫向設(shè)計，其結(jié)構(gòu)被限制在芯片的頂部。這意味著大部分的冷卻優(yōu)勢已經(jīng)喪失。橫向的GaN結(jié)構(gòu)帶來的另一個挑戰(zhàn)是與布局有關(guān)。所有三個器件端子(柵極、源極和漏極)都需要焊盤和相關(guān)的鍵合線，以某種方式安裝在芯片周圍。

　　使用GaN的一個主要賣點是能夠縮小產(chǎn)品尺寸。因此，對于分立TO-247封裝的硅功率FET來說，相同電壓和電流等級的GaN對應器件可以封裝在表面貼裝QFN風格的封裝中。

　　不幸的是，從熱管理的角度來看，這使得問題更具挑戰(zhàn)性。請記住，更高的電流密度將需要更嚴格的封裝解決方案--在QFN中的更小的芯片需要更多的熱管理，而不是更少。今天，一些制造商已經(jīng)開始調(diào)整這些封裝以適應他們的應用。

　　以Navitas NV6128為例，這是一個單片集成的GaN IC，適合QFN封裝的多個輸出端口。在最近的一份電源封裝報告的圖1中可以看到帶有端口annotated的封裝底部。氮化鎵芯片位于冷卻墊"CP"上的一側(cè)。這對這個設(shè)備來說顯然是足夠的；不過值得注意的是，對于Navitas最近發(fā)布的帶有"GaN Sense"的第三代GaN，他們把重點放在了檢測和控制工作溫度的控制電路上。

圖1.Navitas NV6128底部可見冷卻墊。

定制解決方案

　　其他制造商已經(jīng)開始專注于GaN的特定封裝解決方案。例如，GaN Systems公司有幾種封裝，其中芯片被嵌入其中。參見圖2，這是最近另一份電源封裝報告中的GS61008P的橫截面圖像。銅柱直接連接到芯片的頂部和底部，然后用封裝通孔將其連接到散熱器。

圖2.GaN SystemsGS61008P封裝橫截面。

　　GaN的另一個考慮因素是什么——優(yōu)化開關(guān)性能？最小化封裝寄生元件是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。高效電源轉(zhuǎn)換(EPC)采取了根本上沒有封裝或“晶圓級”封裝的激進方法。這本質(zhì)上只是一個帶有焊塊/焊條的鈍化芯片，用于直接連接到PCB（圖3）。由于缺少相關(guān)的鍵合線，寄生電感被最小化，接口的熱阻源也被最小化，因為理論上芯片本身可以直接鍵合到散熱器。然而，電路設(shè)計人員在芯片貼裝時需要注意和可能的特殊條件。