氮化镓(GaN)产品的包装方法

2021年，TechInsights的功率半导体订户推出了一款新产品——“功率封装分析”。对于任何半导体来说，封装对于电气隔离、产品鲁棒性和热管理都是非常重要的。对于功率半导体来说，这是至关重要的。随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)材料的转变，这些材料对电流密度和开关速度的提高提出了更严格的要求。

斯蒂芬·罗素

氮化镓(GaN)产品的包装方法

当处理GaN时，与硅(Si)相比，还有两个额外的考虑来优化器件性能。

GaN/AlGaN异质结界面上的二维电子气(2DEG)通道使GaN具有快速切换的潜力。
GaN的导热性相对较差。(~ 1.3 W /厘米。K在300k，相比之下硅的1.49 W/cm。碳化硅为3.7 W/cm.K)

当然，体积热导率并不明显低于硅，但记住更高的电流密度-这是限制在异质结周围的一个小区域。

订阅TechInsights博客

加入我们的列表，直接在您的电子邮件中获得最新的博客文章。

不断的改进

尽管不理想，但遗留的Si包可以并且已经被用于包装WBG设备，如GaN。to -247封装通常用于硅(Si)功率mosfet和igbt，其中模具的底部(因此漏极或集电极接触)直接连接到铜引线框架。在应用中使用时，标准做法是使用通孔开口直接安装到散热器上。

这个想法很好地转移到碳化硅MOSFET，他们共享类似的结构，他们的Si对应物。然而，今天的氮化镓器件是横向设计的，其结构局限于模具的顶部。这意味着大部分降温的好处都失去了。横向GaN结构的另一个挑战与布局有关。所有三个设备终端(门，源和漏)都需要衬垫和相关的键合线以某种方式贴合在模具周围。

使用GaN的一个主要卖点是缩小产品尺寸的能力。因此，对于在离散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，这使得问题更加具有挑战性。记住，较高的电流密度将需要更严格的封装解决方案——QFN中较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以适应他们的应用。

以Navitas NV6128为例，这是一个单片集成GaN IC，适合QFN包的多个输出端口。图1中显示了带注释的端口的包底部来自最近的一份电力包装报告．GaN模具坐在一侧的顶部的冷却垫“CP”。对于这个设备来说，这显然已经足够了;尽管值得注意的是Navitas最近宣布^{理查德·道金斯}具有“GaN Sense”的一代GaN他们已经把重点放在控制电路上，以感知和控制工作温度。

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特定的包装解决方案。例如，GaN系统有几个包，其中嵌入了模具。GS61008P的横截面图见图2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模具与包装通孔，然后将这些连接到散热器。

图2。GaN Systems GS61008P封装截面。

GaN的另一个考虑因素是什么——优化交换性能?最小化包寄生组件是实现这一目标的关键。高效功率转换(EPC)采用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焊点/棒的钝化模具，用于直接连接到PCB上(参见图3)GaN最近的平面图报告)．由于缺少相关的键合线，寄生电感被最小化，来自接口的热阻来源也被最小化，因为模具本身理论上可以直接连接到散热器上。然而，在模具连接中，电路设计师需要注意和潜在的特殊情况。EPC最近打破了这一传统发布了一款包装设备EPC2302．这种情况与暴露的顶部似乎是折衷之间的某个晶圆规模和嵌入式模具。