氮化鎵 (GaN) 封裝的諸多挑戰(zhàn)

EETOP編譯整理自techinsights

　　在處理氮化鎵（GaN）時(shí)，與硅(Si)相比，還有兩個(gè)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(kāi)關(guān)的潛力。

　　氮化鎵的導(dǎo)熱性相對(duì)較差。(在300K時(shí)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(qǐng)記住更高的電流密度-它被限制在異質(zhì)結(jié)周?chē)囊粋€(gè)小區(qū)域。

漸進(jìn)式的改進(jìn)

　　雖然不理想，但傳統(tǒng)的硅封裝可以而且已經(jīng)被用來(lái)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(diǎn))直接與銅引線框架粘合。在應(yīng)用中使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)做法是利用通孔開(kāi)口將其直接安裝到散熱器上。

　　這個(gè)想法相當(dāng)好地轉(zhuǎn)移到了碳化硅MOSFET上，它們與硅對(duì)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(jì)，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(shì)已經(jīng)喪失。橫向的GaN結(jié)構(gòu)帶來(lái)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是與布局有關(guān)。所有三個(gè)器件端子(柵極、源極和漏極)都需要焊盤(pán)和相關(guān)的鍵合線，以某種方式安裝在芯片周?chē)?/p>

　　使用GaN的一個(gè)主要賣(mài)點(diǎn)是能夠縮小產(chǎn)品尺寸。因此，對(duì)于分立TO-247封裝的硅功率FET來(lái)說(shuō)，相同電壓和電流等級(jí)的GaN對(duì)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(lái)看，這使得問(wèn)題更具挑戰(zhàn)性。請(qǐng)記住，更高的電流密度將需要更嚴(yán)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(kāi)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(gè)單片集成的GaN IC，適合QFN封裝的多個(gè)輸出端口。在最近的一份電源封裝報(bào)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(duì)這個(gè)設(shè)備來(lái)說(shuō)顯然是足夠的；不過(guò)值得注意的是，對(duì)于Navitas最近發(fā)布的帶有"GaN Sense"的第三代GaN，他們把重點(diǎn)放在了檢測(cè)和控制工作溫度的控制電路上。

圖1.Navitas NV6128底部可見(jiàn)冷卻墊。

定制解決方案

　　其他制造商已經(jīng)開(kāi)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(jiàn)圖2，這是最近另一份電源封裝報(bào)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(gè)考慮因素是什么——優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能？最小化封裝寄生元件是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。高效電源轉(zhuǎn)換(EPC)采取了根本上沒(méi)有封裝或“晶圓級(jí)”封裝的激進(jìn)方法。這本質(zhì)上只是一個(gè)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?yàn)槔碚撋闲酒旧砜梢灾苯渔I合到散熱器。然而，電路設(shè)計(jì)人員在芯片貼裝時(shí)需要注意和可能的特殊條件。

圖3.EPC2019芯片底部可見(jiàn)焊料凸塊/焊條

　　另一種降低電感的方法來(lái)自Nexperia的“銅夾”設(shè)計(jì)。他們最小化寄生電感的想法再次是通過(guò)移除鍵合線。圖4顯示了電源封裝報(bào)告中PSMN3R9 Si MOSFET的橫截面（請(qǐng)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(diǎn)。

圖5.Nexperia PSMN3R9封裝的噴射蝕刻，可見(jiàn)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(gè)在未來(lái)十年內(nèi)將會(huì)看到激烈發(fā)展的課題。有一些創(chuàng)新的解決方案來(lái)轉(zhuǎn)移器件端子，例如焊盤(pán)下電路(CUP)結(jié)構(gòu)和穿GaN溝槽開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。

　　目前正在進(jìn)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(dòng)力。

　　氮化鎵還沒(méi)有在大功率模塊設(shè)計(jì)中找到立足點(diǎn)，但是在尖端的SiC模塊中，我們開(kāi)始看到專門(mén)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(lán)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(zhǎng)的GaN。

　　像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒(méi)有一種萬(wàn)能的方法，我認(rèn)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！