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技术好文 | 基于GaN器件的高性能散热解决方案

技术好文 | 基于GaN器件的高性能散热解决方案 NTK散热
2022-09-03
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导读：eGaN FET 和 IC 的芯片级封装提供六面冷却，从管芯的底部、顶部和侧面充分散热。高性能热设计可以保证基于 eGaN 的功率转换器设计具有更高的输出功率，具有紧凑的尺寸和低导通电阻。

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大多数高密度功率转换器的限制因素是结温，这促使需要更有效的热设计。eGaN FET 和 IC 的芯片级封装提供六面冷却，从管芯的底部、顶部和侧面充分散热。高性能热设计可以保证基于 eGaN 的功率转换器设计具有更高的输出功率，具有紧凑的尺寸和低导通电阻。


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六面散热散热解决方案


图 1 中描述的散热解决方案能够从芯片级 eGaN FET 中出色地提取热量，如之前在 [ 1 ] 和 [ 2 ] 中所展示的那样。

图 1：芯片级 eGaN FET 散热解决方案的简化横截面，突出显示热流路径和机械组装

散热器使用螺钉和塑料垫片以机械方式连接到电路板上，封闭了一个填充有电绝缘热界面材料 (TIM) 的区域。TIM 将热量从 FET 的顶部和侧面直接传导到散热器。由于 R θ,jc非常低，这提供了最有效的热路径eGaN FET 和 IC。同时，FET 将热量通过焊料凸点传导至 PCB 铜，热量也通过 TIM 传导至散热器。额外的热量通过 PCB 底部的对流散发。仔细选择垫片的高度和导热垫的厚度，以防止 eGaN FET 上的机械应力过大。散热器和 FET 之间的 TIM 厚度应保持最小，以提供最低的热阻。但是，在选择垫片厚度时，必须考虑垫片封闭内所有组件的最大高度，包括 FET、电容器和栅极驱动器。在此分析中，高度容差和模具倾斜可能都是重要的因素。

设计灵活性

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散热器使用螺钉和塑料垫片以机械方式连接到电路板上，封闭了一个填充有电绝缘热界面材料 (TIM) 的区域。TIM 将热量从 FET 的顶部和侧面直接传导到散热器。由于 R θ,jc非常低，这提供了最有效的热路径eGaN FET 和 IC。同时，FET 将热量通过焊料凸点传导至 PCB 铜，热量也通过 TIM 传导至散热器。额外的热量通过 PCB 底部的对流散发。仔细选择垫片的高度和导热垫的厚度，以防止 eGaN FET 上的机械应力过大。散热器和 FET 之间的 TIM 厚度应保持最小，以提供最低的热阻。但是，在选择垫片厚度时，必须考虑垫片封闭内所有组件的最大高度，包括 FET、电容器和栅极驱动器。在此分析中，高度容差和模具倾斜可能都是重要的因素。

设计示例：使用 EPC2045 eGaN FET 的高密度 48 V 至 12 V 转换

使用图 2 中所示的设计示例对所提出的散热解决方案进行了实验演示，该示例类似于EPC9205 GaN 功率模块。这款高密度降压转换器使用100 V EPC2045 eGaN FET ，在 700 kHz 开关频率下将 48 V 转换为 12 V 时可实现 96.4% 的峰值效率，并且可以在低于 100°C 的情况下输出高达 12 A 的电流结温升高。

图 2 显示了用于组装此热设计的分步指南：
• 尼龙垫片用于封闭功率级并为散热器提供机械支撑。本示例中的垫片高度为 1.02 毫米，比EPC2045的安装高度高 0.13 毫米（图 2a）。
• 由垫片包围的功率级区域随后被液体间隙填充物覆盖（图 2b）。
• 软热界面垫连接到散热器底部。在此示例中，垫在压缩前的厚度为 0.5 毫米（图 2c）。
• 最后，将散热器和焊盘放置在液体间隙填充物的顶部，并使用两个螺钉将其牢固地夹在尼龙垫片上。清除多余的间隙填充物，让剩余的固化成固体形式（图 2d）。

图 2：使用塑料垫片、液隙填充物、热界面垫和散热器实施热设计的机械组装步骤

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热性能


热等效电路，在图3和电流能力示出正在使用中[介绍的方法进行评价2 ]，这表明在junction-到环境的热阻的减少50％的（R θ，JA每个FET的）当热溶液被实施。但是，在这种高密度设计中还必须考虑两个 FET 和输出滤波器电感之间的热耦合。图 4 显示了实施散热解决方案之前和之后转换器的电流处理能力。使用散热器后，电流处理能力提高了 60%。

图 3：详细的热等效电路

图 4：在 700 kHz 和 800 LFM 气流下工作时， EPC2045降压转换器结温上升与 48 V IN至 12 V OUT 的输出电流的关系

汽车系统中的散热器改进：使用 EPC2206 AEC 认证的 eGaN FET 进行高密度 48 V 至 12 V 转换

类似的方法适用于使用EPC2206 AEC 认证的 80 V eGaN FET的 48 V 至 12 V 转换器，以证明该散热解决方案也可应用于具有更大芯片和功率级的更高功率电路板设计。在此示例中，基于汽车应用的更极端环境条件，最大允许温升为 60°C。所述EPC9034使用演示板进行评估，与输出电感器位于离板。添加散热器会降低每个 FET 的 R θ,ja 60%，有效地将输出电流能力从 25 A 加倍到 50 A，如图 5 所示。初步结果表明，散热器的优势随着转换器尺寸的增加而增加。本例中仅使用软导热垫。添加液隙填料可以进一步改进。

图 5：在 125 kHz 和 800 LFM 气流下工作时， EPC2206降压转换器结温上升与 48 V IN至 12 V OUT 的输出电流的关系

总结

通过连接散热器并利用芯片级封装提供的六面冷却，可以显着改善使用 eGaN FET 构建的高密度转换器的热限制。本文表明，无需增加功率级的占位面积即可实现 60-100% 的高输出功率，同时还能限制组装期间和组装后 FET 上的机械应力。结合 eGaN FET 固有的效率优势，这种热性能改进是 GaN 推动系统性能超越硅能力的另一种方式。

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