氮化鎵未來(lái)十年的工作重點(diǎn)

對(duì)于任何半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，封裝對(duì)于電氣隔離、產(chǎn)品穩(wěn)健性和熱管理都很重要。尤其是對(duì)于功率半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)的更高電流密度和開關(guān)速度帶來(lái)了更嚴(yán)格的封裝要求。

在處理 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。

通過(guò) GaN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣 (2DEG) 通道實(shí)現(xiàn) GaN 的快速切換潛力。

GaN的導(dǎo)熱性比較差。（在 300 K 時(shí)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(qǐng)記住更高的電流密度——它僅限于異質(zhì)結(jié)周圍的一個(gè)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(diǎn)）直接接合到銅引線框架。在應(yīng)用中使用時(shí)，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(gè)想法相當(dāng)好地轉(zhuǎn)移到了 SiC MOSFET，它們與 Si 對(duì)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(jì)，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(lái)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是布局相關(guān)。所有三個(gè)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(gè)主要賣點(diǎn)是能夠縮小產(chǎn)品尺寸。因此，對(duì)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(duì)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(lái)看，這使得事情更具挑戰(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——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(gè)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(duì)于這個(gè)設(shè)備來(lái)說(shuō)顯然已經(jīng)足夠了；盡管有趣的是，對(duì)于Navitas 最近宣布的帶有“GaN Sense”的第三代 GaN，他們將重點(diǎn)放在了用于檢測(cè)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(gè)封裝，其中嵌入了芯片。如下圖中的 GS61008P 橫截面圖。銅柱通過(guò)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(gè)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。EPC采用基本無(wú)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?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。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(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。如下圖中 PSMN3R9 Si MOSFET 的橫截面（請(qǐng)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(diǎn)。

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(gè)將在未來(lái)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(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。

GaN 尚未在高功率模塊設(shè)計(jì)中找到立足點(diǎn)，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(zhǎng)的 GaN。

像所有功率半導(dǎo)體一樣，沒有一種萬(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，這將是令人著迷的！

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