EETOP編譯整理自techinsights

　　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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器件可以封裝在表面貼裝QFN風(fēng)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(yīng)他們的應(yīng)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。

圖3.EPC2019芯片底部可見焊料凸塊/焊條

　　另一種降低電感的方法來自Nexperia的“銅夾”設(shè)計。他們最小化寄生電感的想法再次是通過移除鍵合線。圖4顯示了電源封裝報告中PSMN3R9 Si MOSFET的橫截面（請注意，該封裝也已應(yīng)用于GaN器件）。

圖4.NexperiaPSMN3R9封裝橫截面。

　　圖5顯示了該芯片的平面圖，它已被噴射蝕刻以暴露銅夾。這直接焊接到芯片的源極觸點。

圖5.Nexperia PSMN3R9封裝的噴射蝕刻，可見銅夾的源頭連接。

總結(jié)

　　盡管用于寬禁帶器件(如GaN)的定制封裝仍處于起步階段，但這是一個在未來十年內(nèi)將會看到激烈發(fā)展的課題。有一些創(chuàng)新的解決方案來轉(zhuǎn)移器件端子，例如焊盤下電路(CUP)結(jié)構(gòu)和穿GaN溝槽開始進入市場。

　　目前正在進行關(guān)于更好的熱界面材料和芯片連接方法的學(xué)術(shù)研究。從傳統(tǒng)的焊接轉(zhuǎn)向使用銀的燒結(jié)方法正在獲得動力。

　　氮化鎵還沒有在大功率模塊設(shè)計中找到立足點，但是在尖端的SiC模塊中，我們開始看到專門的陶瓷基板，如Si3N4和AlN被用于卓越的散熱。

　　Power Integrations采用的是使用藍寶石襯底上的氮化鎵晶圓而不是硅襯底上的氮化鎵的方法，而學(xué)術(shù)研究則研究了更奇特的方法，例如在金剛石上生長的GaN。

　　像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬能的方法，我認為我們將看到更多的多樣性和量身定制的解決方案向前發(fā)展！