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氮化鎵未來十年的工作重點

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氮化鎵未來十年的工作重點

來源:半導體行業觀察


       對于任何半導體來說，封裝對于電氣隔離、產品穩健性和熱管理都很重要。尤其是對于功率半導體來說，這是至關重要的。
　　
　　隨著向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)材料的轉變，這些材料實現的更高電流密度和開關速度帶來了更嚴格的封裝要求。
　　
　　在處理GaN時，與硅(Si)相比，還有兩個額外的考慮因素可以優化器件性能。
　　
　　通過GaN/AlGaN異質結界面處的二維電子氣(2DEG)通道實現GaN的快速切換潛力。
　　
　　GaN的導熱性比較差。（在300K時約為1.3W/cm.K，而硅的1.49W/cm.K和碳化硅的3.7W/cm.K）
　　
　　假設體熱導率并不明顯低于硅，但請記住更高的電流密度——它僅限于異質結周圍的一個小區域。
　　
　　盡管并不理想，但傳統的Si封裝可以并且已經用于封裝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。在應用中使用時，標準做法是使用通孔開口將其直接安裝到散熱器上。
　　
　　這個想法相當好地轉移到了SiCMOSFET，它們與Si對應物具有相似的結構。然而，今天的GaN器件采用橫向設計，結構僅限于芯片頂部。這意味著失去了大部分冷卻效益。橫向GaN結構帶來的另一個挑戰是布局相關。所有三個器件端子（柵極、源極和漏極）都需要焊盤和相關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性。請記住，更高的電流密度將需要更嚴格的封裝解決方案——QFN中更小的芯片需要更多的熱管理而不是更少。今天，一些制造商已經開始調整這些封裝以適應他們的應用。
　　
　　例如，參見NavitasNV6128，這是一款單片集成GaNIC，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。GaNdie位于冷卻墊“CP”頂部的一側。這對于這個設備來說顯然已經足夠了；盡管有趣的是，對于Navitas最近宣布的帶有“GaNSense”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注GaN特定封裝解決方案。例如，GaNSystems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——優化開關性能？最小化封裝寄生元件是實現這一目標的關鍵。EPC采用基本無封裝或“晶圓級”封裝的激進方法。這本質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，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PSMN3R9SiMOSFET的橫截面（請注意，該封裝也已應用于GaN器件）。
　　
　　下圖顯示了該設備的平面圖，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
　　
　　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得到大力發展的主題。有創新的解決方案可以轉移器件端子，例如焊盤下電路(CUP)結構和穿GaN溝槽開始進入市場。
　　
　　目前正在進行關于更好的熱界面材料和芯片連接方法的學術研究。從傳統的焊接轉向使用銀的燒結方法正在獲得動力。
　　
　　GaN尚未在高功率模塊設計中找到立足點，但在尖端的SiC模塊中，我們開始看到特殊的陶瓷基板（如Si3N4和AlN）用于出色的散熱。
　　
　　Die本身有解決方案嗎？PowerIntegrations采用的是使用藍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，而學術研究則研究了更奇特的方法，例如在金剛石上生長的GaN。
　　
　　像所有功率半導體一樣，沒有一種萬能的方法，我認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展，這將是令人著迷的！
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