氮化镓(GaN)产品的封装方法
2021年，TechInsights的功率半导体订阅推出了一款新产品——“功率封装分析”。对于任何半导体来说，封装对于电气隔离，产品稳健性和热管理都很重要。对于功率半导体来说，这是至关重要的。随着向碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)材料的转变，这些材料所能实现的电流密度和开关速度的增加也带来了更严格的要求。
斯蒂芬·罗素
氮化镓(GaN)产品的封装方法
在处理GaN时，与硅(Si)相比，有两个额外的考虑因素来优化器件性能。
- GaN/AlGaN异质结界面上的二维电子气(2DEG)通道实现了GaN快速开关的潜力。
- 氮化镓的导热性相对较差。(~ 1.3 W /厘米。K为300 K，而硅为1.49 W/cm。和碳化硅的3.7 W/cm.K)
虽然体热导率并不明显低于硅，但记住更高的电流密度-它被限制在异质结周围的小区域内。
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不断的改进
虽然不理想，但传统的Si封装可以并且已经用于封装WBG器件，如GaN。to -247封装通常用于硅(Si)功率mosfet和igbt，其中芯片底部(因此漏极或集电极触点)直接连接到铜引线框架。在应用中使用时，标准做法是将其直接安装到使用通孔开口的散热器上。
这种想法可以很好地转移到SiC MOSFET，它们与Si对应物具有相似的结构。然而，今天的GaN器件是横向设计，结构局限于模具的顶部。这意味着大部分冷却效果都失去了。横向GaN结构带来的另一个挑战是与布局相关的。所有三个设备终端(栅极，源极和漏极)都需要焊盘和相关的键合线以某种方式配合在模具周围。
使用氮化镓的一个主要卖点是缩小产品尺寸的能力。因此，对于分立TO-247封装中的Si功率场效应管，相同电压和电流额定值的GaN对应物可以封装在表面贴装QFN封装中。
不幸的是，从热管理的角度来看，这使得事情更具挑战性。记住，更高的电流密度将需要更严格的封装解决方案——QFN中更小的芯片需要更多的热管理，而不是更少。今天，一些制造商已经开始调整这些包装，以适应他们的应用。
以Navitas NV6128为例，这是一款单片集成GaN IC，适合QFN封装的多个输出端口。带有端口注释的包底部如图1所示来自最近的一份电力包装报告。氮化镓芯片位于冷却垫“CP”顶部的一侧。这对于这个装置来说显然是足够的;尽管注意到这一点很有趣Navitas最近宣布了3理查德·道金斯具有“GaN感”的一代GaN他们把重点放在控制电路上，以感知和控制工作温度。
图1所示。Navitas NV6128底部的冷却垫可见。
定制解决方案
其他制造商已经开始专注于GaN特定的封装解决方案。例如，GaN系统有几个封装，其中嵌入了芯片。GS61008P的截面图如图2所示来自另一份最近的电力包装报告。铜柱直接连接到顶部和底部的封装过孔的模具，然后将这些连接到散热器。
图2。GaN Systems GS61008P封装截面图。
氮化镓优化开关性能的其他考虑因素是什么?最小化封装寄生组件是实现这一目标的关键。高效电源转换(EPC)采用激进的方法，基本上没有封装或“晶圆级”封装。这基本上只是一个钝化的模具与焊料凸起/条直接连接到PCB(见图3)这是GaN最近的平面图报告)。由于缺乏相关的结合线，寄生电感被最小化，来自接口的热阻源也被最小化，因为理论上芯片本身可以直接连接到散热器上。然而，电路设计人员需要在芯片附件中采取谨慎和潜在的特殊条件。EPC最近打破了这一传统宣布推出一款封装设备EPC2302。这种顶部暴露的情况似乎是在晶圆规模和嵌入式芯片之间的妥协。
图3。EPC2019模具底部可见焊料凸起/条。
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另一种减少电感的方法来自安派瑞公司的“铜夹”设计。他们最小化寄生电感的想法还是通过移除bond线。图4显示了PSMN3R9 Si MOSFET的截面来自一份电力包装报告(注意此封装也已应用于GaN器件)。
图4。安派瑞PSMN3R9封装截面。
图5显示了该设备的平面视图图像，它已被喷射蚀刻以暴露铜夹。这是直接焊接到模具的源触点。
图5。安派瑞PSMN3R9喷蚀封装与铜夹源连接可见。
总结
尽管针对GaN等宽带隙器件的定制封装仍处于起步阶段，但这一主题将在未来10年得到大力发展。有一些创新的解决方案来改变器件终端，如垫下电路(CUP)结构和穿过gan沟槽开始进入市场。
学术界正在研究更好的热界面材料和贴片方法。从传统的焊接转向使用银的烧结方法正在获得动力。
GaN还没有在高功率模块设计中找到立足点，但是在尖端的SiC模块中，我们开始看到专门的陶瓷衬底，如Si3.N4采用氮化铝，具有优越的散热性能。
骰子本身有解决办法吗?Power Integrations采用了使用GaN-on-蓝宝石晶圆而不是GaN-on- Si晶圆的方法，而学术研究则研究了更奇特的方法，例如在钻石上生长GaN。
就像所有的功率半导体一样，没有一刀切的方法，我认为我们将看到更多的多样性和量身定制的解决方案向前发展，这将是令人着迷的!
