【導讀】熱設(shè)計是一個至關(guān)重要的課題,其中的各種規(guī)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(lǐng)域;但其對于集成電路設(shè)計的意義卻不容忽視——畢竟,溫度是導致大多數(shù)半導體在現(xiàn)實應用中失效的最大環(huán)境因素。元件的預期壽命會隨著溫度的每一度升高而縮短。
熱設(shè)計是一個至關(guān)重要的課題,其中的各種規(guī)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(lǐng)域;但其對于集成電路設(shè)計的意義卻不容忽視——畢竟,溫度是導致大多數(shù)半導體在現(xiàn)實應用中失效的最大環(huán)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(shè)計工程師在熱設(shè)計過程中需要關(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)器件及其在實際應用中所面臨的相關(guān)熱問題。
針對可靠性的熱設(shè)計
熱設(shè)計是一個復雜的課題,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)上采用塑封半導體時的一些基本知識。
熱設(shè)計過程中,熱路徑的規(guī)劃是首先要考慮的因素;它為半導體產(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(shè)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。
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(jié)點和溝道溫度過高,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)計系統(tǒng)或最終產(chǎn)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(shù)和PCB Gerber文件等)非常重要。例如,導通孔的放置和創(chuàng)建對于從設(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(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商根據(jù)性能優(yōu)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(xiàn)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(jié)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(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(shù)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(shè)計(如圖2所示)。
盡管對于低功率場景,增加PCB層數(shù)能夠帶來一定的益處,但在高功率應用中卻會產(chǎn)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(shù)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(jīng)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(shù)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(chǎn)品整體散熱模型,并將其納入您的系統(tǒng)級散熱模型中,以更準確地評估器件運行環(huán)境,進而確定由此產(chǎn)生的結(jié)溫或溝道溫度。
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(yōu)先)使用金錫共晶焊料或高導熱性環(huán)氧樹脂。散熱片可以與下一級組件集成,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)直接安裝在下一級組件的散熱片上。
金錫焊料和許多導熱性環(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)失配造成的應力(在將GaN芯片安裝到高導熱性材料上時經(jīng)常出現(xiàn))。確保金錫焊點無空隙非常重要,尤其是在裸片有效區(qū)域下方。如果采用導電的環(huán)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(xù)波(CW)模式還是脈沖應用。在這些場景中,需要采用銅質(zhì)導熱通孔來為系統(tǒng)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(yōu)化PCB設(shè)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(tǒng)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(guān)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?qū)峄衔铮采w整個封裝基底區(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?qū)峄衔飼r,應確保至少達到80%的覆蓋率。
結(jié)論
良好的熱設(shè)計對于現(xiàn)場可靠運行十分關(guān)鍵;特別是針對那些產(chǎn)生大量熱量的大功率元件而言,重要性更不言而喻。
通過遵循基于最佳實踐的熱設(shè)計技術(shù),工程師們能夠確保系統(tǒng)性能的優(yōu)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。
(來源:Qorvo半導體,作者:David Schnaufer ,技術(shù)市場傳播經(jīng)理)
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