聚焦大功率氮化鎵（GaN）器件及其在實際應用中所面臨的相關熱問題

David Schnaufer

熱設計是一個至關重要的課題，其中的各種規則、縮略語和復雜方程時常讓人感到它似乎是個深不可測的神秘領域；但其對于集成電路設計的意義卻不容忽視——畢竟，溫度是導致大多數半導體在現實應用中失效的最大環境因素。元件的預期壽命會隨著溫度的每一度升高而縮短。

本文將帶您深入探討設計工程師在熱設計過程中需要關注的一些關鍵問題。具體來說，我們將聚焦大功率氮化鎵（GaN）器件及其在實際應用中所面臨的相關熱問題。

針對可靠性的熱設計

熱設計是一個復雜的課題，但其中也有一些基礎原理值得深入探討。首先讓我們回顧一下在印刷電路板（PCB）上采用塑封半導體時的一些基本知識。

熱設計過程中，熱路徑的規劃是首先要考慮的因素；它為半導體產生的熱量提供了一條通向外界環境空氣的路徑。這條熱路徑一般會通過接地焊盤穿過器件封裝的底部（如圖1所示）。因此在應用設計中，應當選擇那些能夠通過器件接地片將熱量從封裝底部有效引出的PCB。

圖1，圖中所示的頂部塑封元件展示了熱量

如何從裸片頂部向下流經封裝接地焊盤的過程

在此類封裝中，由于塑封化合物導熱性能不佳，試圖從封裝頂部吸取熱量的方法并不奏效；而從頂部冷卻又可能導致結點和溝道溫度過高，從而引發器件性能下降甚至失效。

為確保采用正確的排熱方法，在設計系統或最終產品時，盡可能多地利用半導體供應商提供的信息和材料（包括S2P參數和PCB Gerber文件等）非常重要。例如，導通孔的放置和創建對于從設備中排出熱量并提高部件可靠性十分關鍵——這些類型的說明和導通孔的放置，通?？稍诎雽w供應商提供的PCB Gerber文件中找到。

接地片與PCB之間的焊接附著物，應選用能夠高效優化散熱的高品質材料。通孔的位置、大小和樣式往往由供應商根據性能優化原則提供，因此應在供應商的指導下使用。通孔的位置、樣式和類型對于實現低熱阻的散熱通道具有重要作用。使用散熱片時，最好將其連接至IC結點或溝道的最低阻抗路徑上。

此外，PCB的熱阻與電路板的整體厚度成正比，導熱孔也是影響熱阻值的因素之一。因此，對于采用方形扁平式無引腳（QFN）封裝的大功率GaN器件，通常選用厚度為8mil密爾（毫英寸）的超薄PCB，以最大程度降低熱阻。PCB材料的熱性能還受到銅在電路板上鋪設方式的影響。

要將熱量向下方安裝散熱片的區域傳遞，至少需要使用散熱孔。散熱孔是在電路板上鉆出的鍍銅孔，用于形成從一個銅層到下一個銅層的導熱通道。銅層越厚越好，因為它提供了極佳的導熱性，但使用的銅越多，成本也越高。

在低功率應用中，增加PCB的層數對元件的熱傳導具有顯著影響。雙層電路板和四層電路板之間的溫差可能高達20°C，具體取決于銅平面的散熱布局設計（如圖2所示）。

圖2，熱傳導性能——雙層與四層PCB對比

盡管對于低功率場景，增加PCB層數能夠帶來一定的益處，但在高功率應用中卻會產生適得其反的效果。例如，在諸如GaN高功率器件等應用中，特別是在功率超過10至15瓦的情況下，增加PCB層數不僅會增加熱阻，還可能干擾熱傳導路徑。

大功率GaN器件應用注意事項

針對GaN器件及單片微波集成電路（MMIC）進行熱分析時，推薦采用一種綜合方法；這種方法充分利用器件建模、經驗測量（包括微型拉曼熱成像）以及有限元分析（FEA）仿真，已被證明為最有效且最準確的手段。一旦完成基線熱模型的建立，便可通過FEA來精準預測器件級的溝道溫度及熱阻。

如果無法使用微型拉曼熱成像和FEA建模，而只能使用紅外（IR）相機，那么必須清楚了解IR成像在精度上的局限。IR相機的空間分辨率比FET溝道的柵極長度大一個數量級，并且得到的表面溫度為面積均值，遠低于真實的最高溝道溫度。

建議與GaN器件供應商的應用團隊緊密合作，以確保GaN器件在您的應用中以足夠低的溫度運行。還可以從其應用團隊獲得產品整體散熱模型，并將其納入您的系統級散熱模型中，以更準確地評估器件運行環境，進而確定由此產生的結溫或溝道溫度。

提高應用中的導熱性

僅針對裸片的應用

對于GaN裸片元件，應直接將其安裝在導熱性良好的散熱片材料上或中間載板上，例如使用裸片貼片（die-on-tab）方式。安裝時，應（優先）使用金錫共晶焊料或高導熱性環氧樹脂。散熱片可以與下一級組件集成，也可使用焊料或導電環氧樹脂以裸片貼片的結構直接安裝在下一級組件的散熱片上。

金錫焊料和許多導熱性環氧樹脂具有較低的熱阻值，并且能夠承受熱膨脹系數（CTE）失配造成的應力（在將GaN芯片安裝到高導熱性材料上時經常出現）。確保金錫焊點無空隙非常重要，尤其是在裸片有效區域下方。如果采用導電的環氧樹脂較薄的情況下，則銀漿必須均勻、無空隙，以最大限度提高熱導率。

不建議將GaN裸片功率器件直接安裝在印刷電路板上，除非將其安裝在高導熱金屬塊（如銅塊）上，以保證足夠的熱傳導。

GaN QFN和表面貼裝封裝應用

GaN QFN和表面貼裝封裝組件直接安裝在PCB上。這些GaN放大器通常用于中等功率耗散的應用中；無論是連續波（CW）模式還是脈沖應用。在這些場景中，需要采用銅質導熱通孔來為系統散熱片提供導熱路徑。在選擇通孔的尺寸、位置、類型以及鍍銅量時，應充分考慮優化PCB設計的整體導熱性能。

對于GaN QFN封裝，建議將PCB厚度降至最低（如0.008英寸），以保持較低的熱阻。使用具有密集通孔陣列的薄型PCB尤為重要，尤其對于高頻GaN MMIC。

導熱路徑通常是器件散熱的最有效途徑。對于QFN和表面貼裝封裝放大器，確保從封裝底部輸出的面積均值CW熱通量大于1W/mm2非常重要。此外，強烈建議使用鑲埋銅塊的PCB，以為系統散熱片提供良好的導熱路徑。此外，對于任何熱通量超過2 W/mm2的應用，都必須在封裝下方鑲埋銅塊。

GaN鍍銅（CP）與法蘭式封裝應用

在大功率GaN封裝晶體管或封裝MMIC與散熱片之間，具備良好的熱界面非常關鍵。

封裝連接不良是導致熱失效的一個主要原因。在高功率情況下，Qorvo建議使用由導熱材料（如銦片或石墨膜）制成、厚度為2到4mil密爾（約50-100μm）的熱界面材料（TIM）；或者，也可使用厚度為1到2mil密爾（約25-50μm）的導熱膏或導熱化合物，覆蓋整個封裝基底區域，以便安裝法蘭式封裝的器件。

TIM的使用中有一個要點需要注意：為了獲得良好的熱傳導效果，必須施加足夠的壓力。在采用導熱膏或導熱化合物時，應確保至少達到80%的覆蓋率。

結論

良好的熱設計對于現場可靠運行十分關鍵；特別是針對那些產生大量熱量的大功率元件而言，重要性更不言而喻。

通過遵循基于最佳實踐的熱設計技術，工程師們能夠確保系統性能的優化，最大限度地減少潛在問題，并盡可能地延長元件的使用壽命。