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(多图) 氮化镓晶体管封装的先进性和热建模分析

宜普电源转换公司Johan Strydom博士?? Michael de Rooij博士 及 Alex Lidow博士?? 2012年08月06日 ?? 收藏0
引言

近三年来,可替代功率MOSFET器件的基于氮化镓晶体管产品系列已非常广阔[1]。除了优异的传导性能外,这些新一代器件的开关速度比传统硅器件要快十倍。这些卓越的特性不仅催生了许多新应用,同时对封装和热管理方面的要求也更为严格。本文主要讨论在高功率密度系统中,使用触点阵列(Land Grid Array/LGA)封装的高性能增强型eGaN? FET所具有的优势,以及如何面对在热管理方面所遇到的挑战。

理想封装

随着过去几年低压硅MOSFET性能的不断改善,缺乏高性能封装已经成为一个主要因素,使器件性能受限,这激励了业界开发出像DirectFET[2]及PolarPAK [3]的创新封装。那么高性能封装主要的要求是什么?而什么样的封装才是“理想”封装?

半导体器件封装是要(a)提高鲁棒性;(b)防止器件被环境破坏;及(c)易于使用。当在较高电压工作时,有些封装是需要符合器件之间的电压隔离和漏电方面的要求。然而,与半导体裸片相比,由于封装增加了制造成本、导通电阻、电感和体积,这样会降低器件的电气性能和热性能。

一个优异的高性能封装,在可以实现所需封装的优势之同时,能够把封装引致的弊端减至最少。在电压低于约200V时工作,无引线、双面冷却封装如DirectFET、PolarPAK、chip scale或LGA成为一个先进的解决方案。封装的选择很大程度上取决于器件的结构是垂直还是横向。具横向结构的器件采用芯片级封装(如Great Wall公司的 BGA MOSFET[4]);而垂直结构、“倒装”器件则需要把大电流基板端子引至PCB(如DirectFET或PolarPAK 封装)。与此类似的,是采用LGA封装的宜普eGaN器件 (见图1),使用源极和漏极端子的交叉手指形状,把导通电阻和寄生电感减至最小。

图1:EPC2001 eGaN FET的额定参数是100V、7mΩ和25A。这种LGA封装的长度是4.1mm,宽度是1.6mm。
图1:EPC2001 eGaN FET的额定参数是100V、7mΩ和25A。这种LGA封装的长度是4.1mm,宽度是1.6mm。

表1比较了eGaN FET与相同导通电阻的MOSFET的尺寸分别。eGaN FET拥有高效率的芯片级LGA封装和更小晶片尺寸的双重优势,能显著减小其在PCB上所占用的总体面积。

表1:采用不同封装的功率MOSFET与采用LGA封装的eGaN FET之间的比较。
表1:采用不同封装的功率MOSFET与采用LGA封装的eGaN FET之间的比较。

封装电阻

功率晶体管封装的电阻直接影响最终产品的性能。图2估计不同标准功率封装的封装电阻[5]。DirectFET、PolarPAK和LGA封装格式所增加的封装电阻,可以达到低至两百微欧(不包括PCB铜线电阻)。

图2:估计不同功率封装的无晶片封装电阻值。这里是指EPC2001, EPC2015 及EPC2010的电阻值。较小的晶片的电阻值会较高。
图2:估计不同功率封装的无晶片封装电阻值。这里是指EPC2001, EPC2015 及EPC2010的电阻值。较小的晶片的电阻值会较高。

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热建模分析? 氮化镓晶体管? 高性能封装? 低压硅MOSFET?

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