NV612X GaNFast 功率半导体器件的热处理.docx

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1、NV612XGaNFast功率半导体器件的热处理最新的纳微GaNFaStTM电源集成电路NV6123/25/27,集成在6mmx8mm的QFN封装内。这个封装增加了一个大的冷却片，用于降低封装的热阻和提高散热性能。这种封装使高密度电源的设计更加可靠，特别是对于没有气流的全封闭充电器和适配器应用中。能够充分利用这些热效益，就必须在PCB布局、热接口和散热，全部设计妥当。正确的热管理可以最大限度地提高使用GaN功率电路时的效率和功率密度。本文介绍PCB布局指南和示例，以帮助设计师设计；提供NV612X(3/5/7)的封装图，供工程师朋友设计电源IayOUt使用。概述普遍的NV61131517GaN

2、功率器件(QFN5x6mm)设计在各种高密度PD电源。对于具有更具挑战性的热环境的设计，这个更大的QFN6x8mmGaN功率器件产品能更有效地去除热量。新的6x8mmQFN封装的集成电路引脚包括(见图1)漏极(D)、源极(三)、控制管脚和一个大的冷却片(CP)oPQFN6x8mm(BottomView)图1带有CP的NV6125GaN功率IC控制管脚栅极驱动和GaN功率FET的开/关控制，并且外部功率转换电路的大部分开关电流从漏极流过GaN功率FET,并流向源管脚。一小部分开关电流确实流过芯片的硅衬底，并通过衬底流出。在封装内部，集成电路直接安装在冷却片上。图2所示。图2NV6125工作原理电

3、流示意图图3带CP的NV6125PCB示意图因此，GaN功率管的功率损耗产生的热量必须通过冷却片(CP)、焊料和PCB排出。图3所示；尽可能多地使用铜来连接装焊接层增加散热面积是有帮助的。使用热通孔将热量传递到PCB的另一侧或具有大铜平面的内层，然后在那里进行扩散和冷却。冷却片连接到芯片基板，芯片基板可以相对于源极电平浮+-10Vo对于使用电流检测电阻的应用（CS采样），冷却片可以连接（图4）到源极引脚（在电流检测电阻RCS的顶部），或者连接到PGND以获得额外的PCB散热面积。图4带有冷却片的简化示意图（连接到源极和连接到PGND）PCB指南（不带CS检测电阻）在设计氮化线GaN功率电路的P

4、CB版图时，为了达到可接受的器件温度，必须遵循几个准则。必须使用热通孔将热量从顶层IC焊盘传导到底层，并使用大面积铜进行PCB散热。以下布局步骤和说明了最佳实践布局，以实现最佳的IC热性能。1）将GaNIC6x8mmQFN封装在PCB顶层。2）将控制所需的附力口SMD部件放置在顶层（CVCC、CVDD.RDDDZ）o将SMD部件尽可能靠近IC引脚！3）布置SMD部件、走线连接全部在顶层。4）在冷却片和侧边的顶层放置大片铜区域。5）在冷却片内部和侧边放置热通孔。6）在所有其他层（底部、midi、mid2等）上放置较大的铜区域。TMM!OuterDa0.65mmHole0.33mmPitch三0.

5、925mmWallThickness=Imil(d)Placelargecopperareasonbottoc*.drnkJIeyers(c)PlacethermalviasinsideolingpadandsidesPCB指南（带CS检测电阻）当使用放置在电源和PGND之间的电流检测电阻Rcs时，浮动冷却片允许PCB铜区延伸穿过电流检测电阻Rcs并直接连接到PGNDo当设计带有CS检测电阻的PCB时，应遵循以下步骤：1）将GaNIC6x8mmPQFN封装在PCB顶层。2）将控制所需的附力口SMD部件放置在顶层（CVCC、CVDD、RDDDZ）o将SMD部件尽可能靠近IC引脚！3）在顶层布置S

6、MD组件、控制管脚、排水管脚和源管脚的连接。4）在冷却片和侧边的顶层放置大型铜区域。5）在冷却片内部和侧边放置热通孔。6）在所有其他层（底部、midlmid2等）上放置较大的铜区域。7）用通孔将冷却垫铜区电位连接到PGND。GaNFastPowerIC6x8mmQFNDrainCoolingPad(b)Placelargecopperareaatolingpadandsides（八）PlaceandrouteGaNICandSMDOntoplayerThOrTnaIVla，OuterDia三0.65mmHole三0.33mmPitch三0.925mmWallThicknoss三1mil1.ar

7、gepperareasonbottomandmidlayersConnctcoolingpadpotentialtoPGNDwithvftasStretchextracopperareaoooooopooooooooooooooooooooooooooo（C）Placethermalviasinsideclingpadandsides（d）Placelargepperareasonbo.，randG汨layers.Connectcoolingpadpotent.DPGND.NV6I25与NV6115热比较Q1在65w高频准谐振反激演示板上测试和比较了NV6125（6x8mm）和NV6115（5

8、x6mm）的热性能。两个部分在相似的交流输入、直流输出和效率条件下进行了测试。通过遵循推荐的PCB布局指南，对两个GaN功率IC的PCB布局进行了优化。Q2NV612(357)QFN6mm*8mmNV611(357)QFN5mm*6mm结果表明，在低压AC90V输入和满负荷条件下，NV6125在其外壳温度降低9.4摄氏度。a)NV6115(90VAC,1%1.oad)a)NV6125(90VAC,f.k1.oad)NV6125vsNV6115ThermalComparison(65WHFQR,Ta=25C)VACInputNV6115NV6125dcASENV6125-NV6115EFFTem

9、pEFFTemp90VAC92.9%89.6C93.0%80.2C4C产品选择指南下表显示了纳微针对不同电路拓扑和功率水平的GaN器件选型建议（仅限典型）。拓扑架构一30W45W165W3150W300WQRNV6113NV6115orNV6123NV6125-NIA*NAACF覆NV6113(HS)NV6113(1.S)NV6113(HS)NV6115(1.S)orNV6252NYl三HS)NV6125(1.S)NIA*NZPFC(CfQM),NIA，N/ANANV6127”NV6127X21.1.CNlAcN/A“NV6113(HS)NyU3s,Myj.5(HS)附：GaN功率器件芯片级热

10、管理技术研究进展作为新一代固态微波功率器件的代表，GaN半导体具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，在微波大功率器件应用领域有较第一、二代半导体材料显著的性能优势，其输出功率密度可以几倍甚至十几倍于GaAs微波功率FET,满足新一代电子产品对更大功率、更高频率、更小体积微波功率器件的要求，被广泛应用于雷达系统、通信系统等军民领域1-2。然而，随着器件小型集成化的发展，现阶段在GaN基功率器件的研制和应用进程中，GaN器件在高功率状态下的可靠性面临严峻挑战，导致其大功率性能优势远未充分发挥。其主要原因之一是GaN微波功率芯片在工作时存在自热效应，且随功率的增大而增加，加大了在

11、输出大功率的同时在芯片有源区的热积累效应，导致GaN器件输出功率密度以及效率等指标迅速恶化，使其大功率性能优势远未充分发挥。可以说，散热问题已经成为限制GaN微波功率器件技术进一步发展和应用的主要技术瓶颈之一1-7。而受GaN器件衬底和外延材料本身导热能力所限，传统封装级散热技术无法有效解决这一问题，必须从GaN器件内部入手提升其近结区的热传输能力，因此，芯片级的高效散热技术研究成为业内的主要研究热点和急需解决的重要问题之一。本文针对GaN功率器件的散热问题进行简要介绍，揭示GaN器件热瓶颈的原因。并对近年来国外正在开展的GaN功率器件芯片级先进散热技术进行评述,针对每种技术的散热机理、设计方

12、案、工艺途径及研究进展情况进行系统的概括和分析，阐述了芯片级热管理的技术现状和发展方向。1GaN功率器件的热瓶颈尽管GaN功率器件具有极高的输出功率能力，但现阶段的应用(主要为GaNHEMT和功放MMlC)因其热效应问题导致输出功率密度仅在35Wmm,远低于其实验室验证的42Wmm,可以看出，GaN半导体特有的大功率性能优势远未充分发挥。这是由于GaN功率器件在工作时其沟道区域内不可避免地产生热功耗，这种内热功耗的积累导致芯片的结温升高，在高源漏偏置电压下器件就会出现输出特性衰减现象，被定义为“自热效应”，其功率密度越大，“自热效应”越明显5-10。因此，如何解决其沟道区热功耗积累问题是提升其

13、功率特性的主要途径。皿a图1GaN器件热瓶颈：（八）热源区结构；(b)热分布示意图通常在GaN半导体微波功率器件中，其沟道区位于芯片有源区的源漏位置下端区域，其热功耗的集中主要在沟道区的栅位置下端偏漏区域，其尺寸一般小于lm,只占整个半导体芯片面积的极小的部分，即功耗的集中区即为热源区，如图1（八）所示5-10。针对传统的SiC衬底GaN器件，其工作时热源区的热量主要是通过芯片内部的GaN外延层、SiC衬底层传递至芯片封装的热沉上进行耗散,依据DARPA的研究若将芯片和封装热沉作为一个整体，其芯片内部的热传递热阻占整体传热热阻的50%以上，如图1(b)所示5-1引。SiC衬底和GaN外延材料本

14、身导热能力所限制，该结果也表明即便封装级的散热能力极好，也难以解决其芯片在大功率条件下的有源区热积累。因此，如何提升GaN芯片内部的热传递能力，尤其是热源区附近的传热能力成为解决其功率器件热瓶颈和实现大功率特性的关键途径。2芯片级散热技术由于GaN芯片的微纳结构尺度和电路的功能性导致其芯片级的散热技术开发极为困难，国际上在电子器件热管理领域的开发上升至芯片层级的系统研究最早是在2011年，由美国DARPA进行顶层的项目设计和牵引支助，其目的解决GaN器件的热瓶颈问题。从目前各研究结构报道的技术途径来讲，主要分为两类：一是将高导热材料与芯片片内的热源区进行集成，增大芯片内部的热传递能力，有效抑制

15、热积累，属于被动散热技术;二是将液体引入芯片内部的热源区附件，通过和液体的热交换，有效将热源区的热量带走，该技术属于主动散热技术。主动散热和被动散热途径因结构设计和工艺开发的不同分为以下四大类。2.1 金刚石衬底GaN散热技术金刚石衬底GaN器件散热技术最开始源于2011年DARPA启动的NJTT(Near-junctionther-maltransport)热管理项目，其概念是利用高热导率的金刚石材料替换传统GaN大功率器件的SiC衬底，增大其芯片内部的热传输能力，旨在使其输出功率密度达到传统的芯片3倍以上，解决GaN近结区的热积累，提升其器件的大功率特性和可靠性，被认为是下一代的GaN器件的最佳选择。然而该技术的实现依然面临挑战，主要包含三个方面：1)从原有衬底上将GaN外延层进行高质量、完整性的剥离技术;2)在GaN外延层上进行100m的金刚石衬底生长或异质键合的技术;3)实现超低的生长或异质键合的界面热阻(GaNZDiamond