電子元件和電路的適當熱管理是確保系統(tǒng)在所有操作條件下正確運行和可靠性的基本要求。當前電子設備逐漸小型化的趨勢以及對功率密度的需求不斷增加，將熱管理問題置于前臺，特別是對于最新一代的功率設備，例如由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)?；?GaN 和 SiC 的器件可以提供最新一代電源應用所需的高性能。然而，它們極高的功率密度應該得到適當?shù)墓芾?，這使得創(chuàng)新的熱管理技術成為一個需要考慮的關鍵方面。

為了充分發(fā)揮寬帶隙 (WBG) 半導體的潛力，設計人員必須了解使用這些材料所帶來的挑戰(zhàn)。在更高的開關頻率和更高的功率密度下運行，可以實現(xiàn)無源元件（電感器和電容器）的尺寸減小并制造更輕更小的系統(tǒng)。然而，這些較小的無源元件在較高頻率下工作的行為很難預測，并且可能會出現(xiàn)熱管理問題。WBG 半導體需要仔細設計，因為與硅基器件支持的溫度相比，它們在更高的溫度下工作。設計過程考慮了更大的熱應力，這會對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。

在“熱管理進展 2021 ”這一完全在線舉辦的活動中，GaN 和 SiC 技術的三位主要專家提供了有關熱模型、封裝、熱分析和熱界面材料技術的寶貴信息。該小組由電力電子新聞主編 Maurizio Di Paolo Emilio 主持，并邀請了來自 Efficient Power Conversion (EPC)、UnitedSiC 和 STMicroelectronics 等主要公司的行業(yè)名人。

總承包

EPC 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Alex Lidow 以提到芯片級 GaN 的熱管理開始了演講。據(jù) Lidow 稱，EPC 基于 GaN 的功率器件已經(jīng)生產(chǎn)了大約 11 年。在談話中，他說由于 GaN 器件比它們所取代的功率 MOSFET 小得多（小 5 到 10 倍），一個常見的誤解是它們會引起熱管理問題。令人驚訝的是，它們在散熱方面的效率提高了 5 到 10 倍。讓我們考慮進入 PC 板的設備的熱阻。Lidow 表示，這些設備面朝下（倒裝芯片）安裝，所有有源元件都在設備表面，而且它們真的很靠近 PC 板。從器件結到焊點底部的熱阻 (R θJB)，具有相同的表面，在硅和 GaN 之間沒有太大區(qū)別。然而，正如 Lidow 所說，如果我們考慮相反的方向——從結到外殼的熱阻(R θJC )，或者通過側壁或背面離開器件的熱阻——它表明 GaN 大約是比具有相同管芯面積的硅器件高 6 倍的熱效率。因此，經(jīng)?？吹?PC 板上的器件面朝下放置。這些結果可以通過在基于 GaN 的功率器件和散熱器之間放置隔熱層來實現(xiàn)，如圖 1 所示。

“在隔熱材料和凝膠方面有了很大的改進；在短短幾年內，我們已經(jīng)從大約 6 W/mK 一路上升到大約 17 W/mK，”Lidow 說?！拔覀兊慕鉀Q方案不僅允許從 PC 板到散熱器的熱傳導，而且還允許從設備側面?zhèn)鲗?，這樣您就可以通過側壁冷卻獲得更大的好處?！?/p>

Lidow 評論說，在 4 毫米2代表性設備上執(zhí)行的模擬顯示了 EPC 已經(jīng)能夠通過實驗確認和實現(xiàn)的內容。特別是，更好的熱管理已經(jīng)能夠在 6W 功耗下將熱阻降低到大約 3.9°C/W。

圖 1：結殼熱阻的減少

“我們?yōu)榭蛻籼峁┝艘环N工具，可以讓設計師對整個系統(tǒng)進行熱建模，”Lidow 說?！翱梢耘渲酶鞣N元件，例如間隙填充物、隔熱墊、散熱器、散熱器和散熱孔?！?/p>

聯(lián)合碳化硅

UnitedSiC 的首席應用工程師 Jonathan Dodge 就熱管理的趨勢以及對 SiC 的考慮發(fā)表了演講。正如道奇所說，導通電阻的降低絕對是未來幾年將持續(xù)的趨勢，這將開辟一些有趣的應用，否則功率半導體將無法真正處理這些應用。“因此，我們還提高了每個分立器件的功率處理能力，”道奇說。

“碳化硅可以減小芯片尺寸，但芯片單位面積的功率仍然相關，這意味著我們更多地依賴于封裝和散熱器來提供熱質量，”他補充道。

在他的演講中，道奇強調了兩個應用分支，它們對熱管理提出了嚴峻的設計挑戰(zhàn)。第一個包括具有被動冷卻的固態(tài)斷路器和繼電器，而另一個包括需要更積極冷卻的大功率轉換器和電機驅動器。這兩種應用都需要一個能夠處理所需功率水平的封裝。廣泛使用的封裝（例如 TO-247）具有嚴重的局限性。它們的引腳很小，考慮到在電機驅動應用中，我們可能會運行超過 100 A RMS通過他們。然后，如圖 2 所示，有一個浪費的區(qū)域，因為與封裝相比，SiC 芯片的面積相對較小，但體積很大。道奇評論說，爬電距離和電氣間隙也是另一個問題，因為該封裝不是為我們現(xiàn)在使用的高電壓而設計的。這就是為什么許多設計師更喜歡帶有陶瓷隔離器的夾子安裝座，因為陶瓷不會磨損。

“我認為未來的趨勢實際上將是表面貼裝：它成本低、非?？煽浚⑶覠o論是頂部冷卻還是底部冷卻，”道奇說?！拔覀冃枰軌蛱幚矶鄠€表面貼裝設備、800 V 甚至更高電壓的隔離熱界面材料，并符合小型 SMT 組裝變化?！?/p>

圖 2：TO-247 封裝對最大電流有嚴格的限制。

意法半導體

STMicroelectronics 集團副總裁兼總經(jīng)理 Salvatore Coffa 結束了本次會議，并討論了功率器件中的熱管理技術，并考慮了牽引逆變器應用的熱管理設計。

Coffa 指出，每當我們談論功率器件性能的創(chuàng)新時，我們都會看到向更高功率密度以及更低功率和傳導損耗的演變。這對于硅來說是正確的，對于像 SiC 和 GaN 這樣的 WBG 半導體來說更是如此。

“創(chuàng)新之路不僅是前端、材料、結構或設備的創(chuàng)新，而且封裝所扮演的角色越來越重要，”Coffa 說。

為了在 EV 動力總成的功率模塊中實現(xiàn)這一點，Coffa 表示，我們需要實現(xiàn)低靜態(tài)和動態(tài)損耗，提高熱阻 R th（流體結點），并在最終實現(xiàn)成本、性能和可靠性之間的優(yōu)化權衡。應用。

Coffa 認為，電源模塊封裝設計的方法是基于仿真，使用諸如 CAD/CAE 建模之類的工具。這非常有幫助，因為它考慮了設備的屬性、損耗和熱機械約束。如圖 3 所示，Coffa 分析的這種方法允許從具有相關操作條件的初始包裝設計開始，通過功率損耗、熱機械問題和其他損壞的理論模型來估算產(chǎn)品壽命。Coffa 補充說，最終的包裝設計是根據(jù)拓撲或形態(tài)優(yōu)化方法迭代流程的結果。并且所有模型都必須事先通過實驗進行校準和驗證，即使在不同的設計中也是如此。

圖 3：建模方法

“我們進行了大量 CAD/CAE 建模，將器件的電氣特性與熱材料的特性結合起來，我們還進行了大量實驗工作，以便從我們使用的材料中選擇合適的參數(shù)，”科法說。

用于電動汽車牽引逆變器的 SiC MOSFET 需要對芯片和封裝進行適當?shù)膮f(xié)同設計，同時考慮到最終應用中的所有相關熱機械方面。專門為汽車領域設計的 SiC 功率器件被認為通常通過非常規(guī)的芯片連接技術進行安裝。新的 SiC 芯片專門設計為通過燒結組裝，底部和頂部都用于夾子燒結。在活性金屬釬焊上或直接在散熱器上燒結芯片，利用這種 WBG 材料的卓越電氣和熱性能，并在溫度波動下提供卓越的可靠性。
審核編輯：郭婷