Тепловая сборка приборов GaN «на уровне чипов»
В статье обсуждаются проблемы, возникающие при проектировании из-за увеличения плотности мощности, в первую очередь это относится к корпусированию кристаллов. Однако иногда упускается из виду, что силовые FET- и интегральные схемы на основе технологии eGaN обеспечивают отличные тепловые характеристики при монтаже на стандартные печатные платы (PCB) и использовании простых методов крепления радиаторов. Например, GaN FET с площадью 4 мм2 на стандартной четырехслойной PCB может обеспечить тепловое сопротивление «кристалл-радиатор» менее 4 К/Вт с помощью недорогих технологий сборки и материалов теплоотвода. В публикации представлены результаты соответствующего анализа, моделирования и экспериментальной проверки. Кроме того, обсуждаются пути дальнейшего улучшения тепловых характеристик.
В качестве примера рассмотрим случай синхронного выпрямителя с понижающим преобразователем, выполненного с помощью поверхностного монтажа. В таком устройстве доминирующими являются потери проводимости. Чип eGaN EPC2059 (170 В, 9 мОм FET) занимает 3,92 мм2 на печатной плате, в то время как современный Si MOSFET (150 В, 16,5 мОм) с двусторонним охлаждением — почти в восемь раз больше (30,9 мм2). Если бы контактная площадь кристалла была доминирующим фактором, определяющим перегрев, то температура более крупного Si MOSFET составляла бы примерно 23% от GaN для данного тока, даже несмотря на то, что FET eGaN имеет меньшее сопротивление открытого канала (RDS(on)). Однако на практике тепловые характеристики eGaN FET, по-видимому, находятся на одном уровне или лучше, чем у более крупных Si MOSFET. Этот результат кажется противоречивым, причины его неочевидны, а потому требуется углубленное исследование вопроса.
В ряде публикаций показано, что eGaN FET имеют отличные абсолютные тепловые характеристики, несмотря на гораздо меньшую площадь по сравнению с MOSFET с эквивалентным RDS(on), и что существуют практические методы монтажа на теплоотвод [2, 3]. На рис. 1 показан простой метод установки чипов eGaN FET на радиатор. К сожалению, в большинстве публикаций дается очень мало данных о тепловом потоке и тепловых моделях, даже когда они присутствуют. Информация в статьях очень упрощена и не имеет строгого обоснования. Поскольку максимальная температура кристалла Tj,max часто становится основным ограничивающим фактором при проектировании, разработчикам крайне важно понимать, как обеспечить высокие тепловые характеристики. Такое понимание дает уверенность в проектировании, кроме того, сокращается время разработки, уменьшается объем и жесткость испытаний, повышается надежность и снижается общая стоимость.
Во многих конструкциях с использованием силовых полупроводников для поверхностного монтажа печатная плата и соединение транзистора с теплоотводом образуют первое узкое место для теплового потока [4]. В тех случаях, когда применен теплоотвод, роль печатной платы в рассеивании тепла часто игнорируется, хотя на самом деле это важная часть теплового потока. Вклад печатной платы в процесс охлаждения значителен даже для очень маленьких CSP eGaN FET. В практических конструкциях такие FET могут обеспечивать тепловые характеристики перехода «кристалл — окружающая среда» наравне или даже лучше, чем гораздо большие Si-МОП-транзисторы. В сочетании с хорошими электрическими показателями FET eGaN это позволяет уменьшить размеры, увеличить уровень мощности и снизить рабочую температуру. Сказанное может быть подтверждено путем детального 3D-моделирования методом конечных элементов типовых компоновок печатных плат и экспериментальной проверкой.
Для применений высокой мощности или тех, что функционируют при высокой окружающей температуре, радиаторы используются для передачи тепловой энергии в окружающую среду. Типовое решение для тепловой сборки eGaN FET состоит в нанесении изолирующего теплопроводящего материала (TIM) на верхнюю сторону FET и механическом креплении теплоотвода к ней. В такой конструкции часто используются прокладки, обеспечивающие нужное расстояние между FET и лицевой поверхностью теплоотвода. Это необходимо для выполнения требований по напряжению изоляции и демпфированию механических нагрузок, как показано на рис. 1.
Материалы TIM, как правило, доступны в виде пленок, паст и гелей. При серийном производстве паста или гель наносится на верхнюю часть eGaN FET, после чего теплоотвод прикрепляется к PCB. Материал TIM сжимается радиатором и обтекает транзистор, образуя «цилиндр» вокруг транзистора, заполняющий пространство между печатной платой и теплоотводом. Прокладки предназначены для ограничения минимального расстояния между FET и радиатором. На рис. 2 показаны возможные пути прохождения тепла в описанной сборке. Интуитивно кажется, что доминирует тепловой поток сверху и с боков чипа FET из-за короткого пути через TIM, хотя на самом деле тепловой поток «PCB — TIM — теплоотвод» также вносит большой вклад в процесс охлаждения.
Благодаря паяному соединению FET имеет отличный тепловой контакт с омеднением PCB. Печатная плата эффективно распределяет тепло, так как теплопроводность меди примерно на два порядка выше, чем у материала TIM. Тепло от печатной платы на радиатор должно проходить через интерфейсный слой TIM с толщиной в 2–5 раз большей, чем длина пути от FET к теплоотводу. Однако эффективное поперечное сечение теплового интерфейса на этом пути может в 10 раз превышать площадь поверхности FET, поскольку она пропорциональна квадрату радиуса цилиндра, образованного материалом TIM. Следовательно, при таком подходе к анализу тепловой сборки необходимо учитывать вклад теплового пути «PCB — радиатор».
Приведенный выше анализ может быть выполнен с помощью 3D-метода конечных элементов (FEM). Печатная плата с полумостом на FET eGaN представляет собой базовый случай. Ее топология оптимизирована для улучшения электрических характеристик [5], PCB представляет собой четырехслойную конструкцию из 70-мм медной фольги и диэлектрика FR408, общая толщина — 1,6 мм (62 mil). Теплопроводящий материал наносится на смонтированные FET в непосредственной близости от них, как показано на рис. 3. Радиатор установлен поверх FET с зазором между верхней стороной FET и лицевой поверхностью теплоотвода. Плата имеет медные заливки с изолирующими зазорами и матрицу сквозных отверстий, которые могут использоваться в типовой конструкции. Ключевым моментом является то, что для получения наилучших электрических характеристик необходимо размещать как можно больше меди в непосредственной близости от FET, что также улучшает тепловые свойства конструкции.
Результаты моделирования
Для исследования тепловых характеристик, обсуждаемых в этой статье, была проведена серия 3D-FEM анализов с использованием программы моделирования COMSOL [6] Multiphysics. В ходе нескольких циклов симуляций варьировались такие параметры, как радиус цилиндра TIM, теплопроводность TIM, варианты с одним или двумя источниками тепла FET, а также влияние дополнительных компонентов и граничных условий. На рис. 4 представлены результаты для одного источника тепла FET, где варьировались размеры чипа и теплопроводность геля. Расстояние между радиатором и чипом поддерживалось на консервативном уровне 0,3 мм. Сравнение между двумя наборами данных и фактическими измерениями показано в таблице.
Тип TIM |
Теплопроводность, Вт/м·К |
Мощность, Вт |
dT, К (FET — радиатор) |
Rth, К/Вт, измерения |
Rth, К/Вт, модель |
65-00GEL30-0010 |
3,5 |
1,06 |
6,62 |
6,2 |
6,1 |
TG-PP10-50G |
10 |
5,06 |
25,6 |
5,1 |
5,1 |
Экспериментальные результаты
Была проведена серия экспериментов для проверки результатов моделирования и лучшего понимания практических эффектов, связанных с FET, таких как тепловое сопротивление. Получено хорошее согласование эмпирических данных и результатов моделирования, что подтвердило доверие к нему. Анализ затрат был проведен с учетом более дорогого материала TG-PP10-50G с теплопроводностью 10 Вт/м·К. Цилиндр диаметром 10 мм, окружающий FET, имеет объем около 70 мл. При умеренных объемах производства стоимость материала TIM на один FET составляет менее $0,01.
Выводы
Небольшие чипы eGaN FET имеют отличные тепловые характеристики при установке на печатную плату, оптимизированную для получения лучших электрических характеристик. Это достигается с помощью простых, технологичных и экономически эффективных решений. Моделирование, подкрепленное экспериментальной проверкой, анализирует влияние различных параметров и путей теплового потока, что позволяет выработать рекомендации по проектированию с учетом соотношения производительности и затрат. Снижение теплового сопротивления может быть обеспечено за счет увеличения числа и диаметра тепловых переходных отверстий или путем размещения теплопроводящих элементов, таких как резисторы, конденсаторы или другие транзисторы, внутри цилиндра из геля TIM. Во всех случаях кристаллы eGaN FET превосходят более крупные MOSFET-аналоги с большим отрывом.
- Lidow A., de Rooij M., Strydom J., Reusch D., Glaser J. GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition. Wiley, 2019.
- de Rooij M., Zhang Y., Reusch D., Chandrasekaran S. High Performance Thermal Solution for High Power eGaN FET Based Power Converters. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe), June 2018.
- Sawle A., Standing M., Sammon T., Woodworth A. Direct-FETTM — A Proprietary New Source Mounted Power Package for Board Mounted Power. Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM), 2001.
- Thermal Design By Insight, Not Hindsight, AN-2020. Texas Instruments, Inc., 2013.
- Reusch D., Strydom J. Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter. Applied Power Electronics Con-ference. APEC 2013, 16–21 March 2013.
- COMSOL Multiphysics, v. 5.4. COMSOL AB, Stockholm, Sweden. www.comsol.com