【導(dǎo)讀】本文將帶您深入探討設(shè)計(jì)工程師在熱設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注的一些關(guān)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(shí)際應(yīng)用中所面臨的相關(guān)熱問題。
本文將帶您深入探討設(shè)計(jì)工程師在熱設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注的一些關(guān)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(shí)際應(yīng)用中所面臨的相關(guān)熱問題。
針對(duì)可靠性的熱設(shè)計(jì)
熱設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的課題，但其中也有一些基礎(chǔ)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(dǎo)體時(shí)的一些基本知識(shí)。
熱設(shè)計(jì)過程中，熱路徑的規(guī)劃是首先要考慮的因素；它為半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量提供了一條通向外界環(huán)境空氣的路徑。這條熱路徑一般會(huì)通過接地焊盤穿過器件封裝的底部（如圖1所示）。因此在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)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(jīng)封裝接地焊盤的過程
在此類封裝中，由于塑封化合物導(dǎo)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(dǎo)致結(jié)點(diǎn)和溝道溫度過高，從而引發(fā)器件性能下降甚至失效。
為確保采用正確的排熱方法，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)或終產(chǎn)品時(shí)，盡可能多地利用半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的信息和材料（包括S2P參數(shù)和PCB Gerber文件等）非常重要。例如，導(dǎo)通孔的放置和創(chuàng)建對(duì)于從設(shè)備中排出熱量并提高部件可靠性十分關(guān)鍵——這些類型的說明和導(dǎo)通孔的放置，通常可在半導(dǎo)體供應(yīng)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(yīng)選用能夠高效優(yōu)化散熱的高品質(zhì)材料。通孔的位置、大小和樣式往往由供應(yīng)商根據(jù)性能優(yōu)化原則提供，因此應(yīng)在供應(yīng)商的指導(dǎo)下使用。通孔的位置、樣式和類型對(duì)于實(shí)現(xiàn)低熱阻的散熱通道具有重要作用。使用散熱片時(shí)，將其連接至IC結(jié)點(diǎn)或溝道的阻抗路徑上。
此外，PCB的熱阻與電路板的整體厚度成正比，導(dǎo)熱孔也是影響熱阻值的因素之一。因此，對(duì)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，以降低熱阻。PCB材料的熱性能還受到銅在電路板上鋪設(shè)方式的影響。
要將熱量向下方安裝散熱片的區(qū)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(gè)銅層到下一個(gè)銅層的導(dǎo)熱通道。銅層越厚越好，因?yàn)樗峁┝说膶?dǎo)熱性，但使用的銅越多，成本也越高。
在低功率應(yīng)用中，增加PCB的層數(shù)對(duì)元件的熱傳導(dǎo)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(dá)20°C，具體取決于銅平面的散熱布局設(shè)計(jì)（如圖2所示）。
圖2，熱傳導(dǎo)性能——雙層與四層PCB對(duì)比
盡管對(duì)于低功率場(chǎng)景，增加PCB層數(shù)能夠帶來一定的益處，但在高功率應(yīng)用中卻會(huì)產(chǎn)生適得其反的效果。例如，在諸如GaN高功率器件等應(yīng)用中，特別是在功率超過10至15瓦的情況下，增加PCB層數(shù)不僅會(huì)增加熱阻，還可能干擾熱傳導(dǎo)路徑。
大功率GaN器件應(yīng)用注意事項(xiàng)
針對(duì)GaN器件及單片微波集成電路（MMIC）進(jìn)行熱分析時(shí)，推薦采用一種綜合方法；這種方法充分利用器件建模、經(jīng)驗(yàn)測(cè)量（包括微型拉曼熱成像）以及有限元分析（FEA）仿真，已被證明為有效且準(zhǔn)確的手段。一旦完成基線熱模型的建立，便可通過FEA來精準(zhǔn)預(yù)測(cè)器件級(jí)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(jī)，那么必須清楚了解IR成像在精度上的局限。IR相機(jī)的空間分辨率比FET溝道的柵極長(zhǎng)度大一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且得到的表面溫度為面積均值，遠(yuǎn)低于真實(shí)的溝道溫度。
建議與GaN器件供應(yīng)商的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)緊密合作，以確保GaN器件在您的應(yīng)用中以足夠低的溫度運(yùn)行。還可以從其應(yīng)用團(tuán)隊(duì)獲得產(chǎn)品整體散熱模型，并將其納入您的系統(tǒng)級(jí)散熱模型中，以更準(zhǔn)確地評(píng)估器件運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)而確定由此產(chǎn)生的結(jié)溫或溝道溫度。
提高應(yīng)用中的導(dǎo)熱性
僅針對(duì)裸片的應(yīng)用
對(duì)于GaN裸片元件，應(yīng)直接將其安裝在導(dǎo)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(shí)，應(yīng)（優(yōu)先）使用金錫共晶焊料或高導(dǎo)熱性環(huán)氧樹脂。散熱片可以與下組件集成，也可使用焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂以裸片貼片的結(jié)構(gòu)直接安裝在下組件的散熱片上。
金錫焊料和許多導(dǎo)熱性環(huán)氧樹脂具有較低的熱阻值，并且能夠承受熱膨脹系數(shù)（CTE）失配造成的應(yīng)力（在將GaN芯片安裝到高導(dǎo)熱性材料上時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)）。確保金錫焊點(diǎn)無空隙非常重要，尤其是在裸片有效區(qū)域下方。如果采用導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂較薄的情況下，則銀漿必須均勻、無空隙，以限度提高熱導(dǎo)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(dǎo)熱金屬塊（如銅塊）上，以保證足夠的熱傳導(dǎo)。
GaN QFN和表面貼裝封裝應(yīng)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(yīng)用中；無論是連續(xù)波（CW）模式還是脈沖應(yīng)用。在這些場(chǎng)景中，需要采用銅質(zhì)導(dǎo)熱通孔來為系統(tǒng)散熱片提供導(dǎo)熱路徑。在選擇通孔的尺寸、位置、類型以及鍍銅量時(shí)，應(yīng)充分考慮優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)的整體導(dǎo)熱性能。
對(duì)于GaN QFN封裝，建議將PCB厚度降至（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(duì)于高頻GaN MMIC。
導(dǎo)熱路徑通常是器件散熱的有效途徑。對(duì)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/mm非常重要。此外，強(qiáng)烈建議使用鑲埋銅塊的PCB，以為系統(tǒng)散熱片提供良好的導(dǎo)熱路徑。此外，對(duì)于任何熱通量超過2 W/mm?的應(yīng)用，都必須在封裝下方鑲埋銅塊。
GaN鍍銅（CP）與法蘭式封裝應(yīng)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(guān)鍵。
封裝連接不良是導(dǎo)致熱失效的一個(gè)主要原因。在高功率情況下，Qorvo建議使用由導(dǎo)熱材料（如銦片或石墨膜）制成、厚度為2到4mil密爾（約50-100?m）的熱界面材料（TIM）；或者，也可使用厚度為1到2mil密爾（約25-50?m）的導(dǎo)熱膏或?qū)峄衔铮采w整個(gè)封裝基底區(qū)域，以便安裝法蘭式封裝的器件。
TIM的使用中有一個(gè)要點(diǎn)需要注意：為了獲得良好的熱傳導(dǎo)效果，必須施加足夠的壓力。在采用導(dǎo)熱膏或?qū)峄衔飼r(shí)，應(yīng)確保至少達(dá)到80%的覆蓋率。
結(jié)論
良好的熱設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行十分關(guān)鍵；特別是針對(duì)那些產(chǎn)生大量熱量的大功率元件而言，重要性更不言而喻。
通過遵循基于實(shí)踐的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，工程師們能夠確保系統(tǒng)性能的優(yōu)化，限度地減少潛在問題，并盡可能地延長(zhǎng)元件的使用壽命。
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