氮化镓 (GaN) 封装的诸多挑战

EETOP编译整理自techinsights

　　在处理氮化镓（GaN）时，与硅(Si)相比，还有两个额外的考虑因素可以优化器件性能。

　　由于GaN/AlGaN异质结界面上的二维电子气体(2DEG)通道，GaN具有快速开关的潜力。

　　氮化镓的导热性相对较差。(在300K时约1.3W/cm.K，而硅(Si)为1.49W/cm.K和碳化硅（SiC）为3.7W/cm.K)

　　虽然体积热导率并不明显低于硅，但请记住更高的电流密度-它被限制在异质结周围的一个小区域。

渐进式的改进

　　虽然不理想，但传统的硅封装可以而且已经被用来封装宽禁带（WBG）器件，如GaN。TO-247封装通常用于硅功率MOSFET和IGBT，其中芯片的底部(即漏极或集电极接触点)直接与铜引线框架粘合。在应用中使用时，标准做法是利用通孔开口将其直接安装到散热器上。

　　这个想法相当好地转移到了碳化硅MOSFET上，它们与硅对应物具有相似的结构。然而，今天的GaN器件是一种横向设计，其结构被限制在芯片的顶部。这意味着大部分的冷却优势已经丧失。横向的GaN结构带来的另一个挑战是与布局有关。所有三个器件端子(栅极、源极和漏极)都需要焊盘和相关的键合线，以某种方式安装在芯片周围。

　　使用GaN的一个主要卖点是能够缩小产品尺寸。因此，对于分立TO-247封装的硅功率FET来说，相同电压和电流等级的GaN对应器件可以封装在表面贴装QFN风格的封装中。

　　不幸的是，从热管理的角度来看，这使得问题更具挑战性。请记住，更高的电流密度将需要更严格的封装解决方案--在QFN中的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封装以适应他们的应用。

　　以Navitas NV6128为例，这是一个单片集成的GaN IC，适合QFN封装的多个输出端口。在最近的一份电源封装报告的图1中可以看到带有端口annotated的封装底部。氮化镓芯片位于冷却垫"CP"上的一侧。这对这个设备来说显然是足够的；不过值得注意的是，对于Navitas最近发布的带有"GaN Sense"的第三代GaN，他们把重点放在了检测和控制工作温度的控制电路上。

图1.Navitas NV6128底部可见冷却垫。

定制解决方案

　　其他制造商已经开始专注于GaN的特定封装解决方案。例如，GaN Systems公司有几种封装，其中芯片被嵌入其中。参见图2，这是最近另一份电源封装报告中的GS61008P的横截面图像。铜柱直接连接到芯片的顶部和底部，然后用封装通孔将其连接到散热器。

图2.GaN SystemsGS61008P封装横截面。

　　GaN的另一个考虑因素是什么——优化开关性能？最小化封装寄生元件是实现这一目标的关键。高效电源转换(EPC)采取了根本上没有封装或“晶圆级”封装的激进方法。这本质上只是一个带有焊块/焊条的钝化芯片，用于直接连接到PCB（图3）。由于缺少相关的键合线，寄生电感被最小化，接口的热阻源也被最小化，因为理论上芯片本身可以直接键合到散热器。然而，电路设计人员在芯片贴装时需要注意和可能的特殊条件。

图3.EPC2019芯片底部可见焊料凸块/焊条

　　另一种降低电感的方法来自Nexperia的“铜夹”设计。他们最小化寄生电感的想法再次是通过移除键合线。图4显示了电源封装报告中PSMN3R9 Si MOSFET的横截面（请注意，该封装也已应用于GaN器件）。

图4.NexperiaPSMN3R9封装横截面。

　　图5显示了该芯片的平面图，它已被喷射蚀刻以暴露铜夹。这直接焊接到芯片的源极触点。

图5.Nexperia PSMN3R9封装的喷射蚀刻，可见铜夹的源头连接。

总结

　　尽管用于宽禁带器件(如GaN)的定制封装仍处于起步阶段，但这是一个在未来十年内将会看到激烈发展的课题。有一些创新的解决方案来转移器件端子，例如焊盘下电路(CUP)结构和穿GaN沟槽开始进入市场。

　　目前正在进行关于更好的热界面材料和芯片连接方法的学术研究。从传统的焊接转向使用银的烧结方法正在获得动力。

　　氮化镓还没有在大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基板，如Si3N4和AlN被用于卓越的散热。

　　Power Integrations采用的是使用蓝宝石衬底上的氮化镓晶圆而不是硅衬底上的氮化镓的方法，而学术研究则研究了更奇特的方法，例如在金刚石上生长的GaN。

　　像所有功率半导体一样，没有一种万能的方法，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！