氮化鎵未來十年的工作重點
氮化鎵未來十年的工作重點
對于任何半導(dǎo)體來說，封裝對于電氣隔離、產(chǎn)品穩(wěn)健性和熱管理都很重要。尤其是對于功率半導(dǎo)體來說，這是至關(guān)重要的。
隨著向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 材料的轉(zhuǎn)變，這些材料實現(xiàn)的更高電流密度和開關(guān)速度帶來了更嚴(yán)格的封裝要求。
在處理 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。
通過 GaN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣 (2DEG) 通道實現(xiàn) GaN 的快速切換潛力。
GaN的導(dǎo)熱性比較差。（在 300 K 時約為 1.3 W/cm.K，而硅的 1.49 W/cm.K 和碳化硅的 3.7 W/cm.K）
假設(shè)體熱導(dǎo)率并不明顯低于硅，但請記住更高的電流密度——它僅限于異質(zhì)結(jié)周圍的一個小區(qū)域。
盡管并不理想，但傳統(tǒng)的 Si 封裝可以并且已經(jīng)用于封裝 GaN 等 WBG 器件。TO-247 封裝通常用于硅 (Si) 功率 MOSFET 和 IGBT，其中die底部（即漏極或集電極觸點）直接接合到銅引線框架。在應(yīng)用中使用時，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用通孔開口將其直接安裝到散熱器上。
這個想法相當(dāng)好地轉(zhuǎn)移到了 SiC MOSFET，它們與 Si 對應(yīng)物具有相似的結(jié)構(gòu)。然而，今天的 GaN 器件采用橫向設(shè)計，結(jié)構(gòu)僅限于芯片頂部。這意味著失去了大部分冷卻效益。橫向 GaN 結(jié)構(gòu)帶來的另一個挑戰(zhàn)是布局相關(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 封裝中的 Si 功率 FET，相同的電壓和電流額定 GaN 對應(yīng)物可以封裝在表面貼裝 QFN 型封裝中。
不幸的是，從熱管理的角度來看，這使得事情更具挑戰(zhàn)性。請記住，更高的電流密度將需要更嚴(yán)格的封裝解決方案——QFN 中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。
例如，參見 Navitas NV6128，這是一款單片集成 GaN IC，適合 QFN 封裝的多個輸出端口。如下圖所示，可以看到帶有端口注釋的封裝底部。GaN die位于冷卻墊“CP”頂部的一側(cè)。這對于這個設(shè)備來說顯然已經(jīng)足夠了；盡管有趣的是，對于Navitas 最近宣布的帶有“GaN Sense”的第三代 GaN，他們將重點放在了用于檢測和控制工作溫度的控制電路上。
其他制造商已開始關(guān)注 GaN 特定封裝解決方案。例如，GaN Systems 有幾個封裝，其中嵌入了芯片。如下圖中的 GS61008P 橫截面圖。銅柱通過封裝通孔直接連接到管芯的頂部和底部，然后將它們連接到散熱器。
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(biāo)的關(guān)鍵。EPC采用基本無封裝或“晶圓級”封裝的激進(jìn)方法。這本質(zhì)上只是一個帶有焊料凸塊/焊條的鈍化芯片，用于直接連接到 PC（參見下圖）。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。EPC 最近打破了這一傳統(tǒng)，推出了一款封裝器件 EPC2302. 這種頂部暴露的情況似乎是晶圓規(guī)模和嵌入式芯片之間的某種折衷方案。
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。如下圖中 PSMN3R9 Si MOSFET 的橫截面（請注意，該封裝也已應(yīng)用于 GaN 器件）。
下圖顯示了該設(shè)備的平面圖，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。
總結(jié)
盡管 GaN 等寬帶隙器件的定制封裝仍處于起步階段，但它是一個將在未來十年內(nèi)得到大力發(fā)展的主題。有創(chuàng)新的解決方案可以轉(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(jìn)入市場。
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)方法正在獲得動力。
GaN 尚未在高功率模塊設(shè)計中找到立足點，但在尖端的 SiC 模塊中，我們開始看到特殊的陶瓷基板（如 Si 3 N 4和 AlN）用于出色的散熱。
Die本身有解決方案嗎？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的 GaN。
像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬能的方法，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，這將是令人著迷的！
聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播，若有異議請聯(lián)系我們修改或刪除：zhangkai@cgbtek.com
COPYRIGHT北京華林嘉業(yè)科技有限公司 版權(quán)所有 京ICP備09080401號
