GaN 功率級設計的散熱注意事項
前言：
Serkan Dusmez, Yong Xie, Masoud Beheshti, and Paul Brohlin
1 簡介
GaN FET 實現了高頻電源轉換器設計。憑藉出色的開關特性和零反向恢復損耗，這種羽量級設計具有更高的功率密度和更小的尺寸。為了充分利用 GaN 的快速開關速度，需要更大限度地減小電源環路電感。這需要仔細考慮PCB 佈局，並對 GaN FET 採用電感超低的封裝。TI 的 LMG341XRxxx 系列採用 8mm × 8mm 低電感底面冷卻的QFN 封裝，可實現開關速度高於 100V/ns。良好的熱設計對於電力電子轉換器非常重要。理想的熱傳遞應在熱量流程中提供良好的導熱性和超低的熱阻。圖 1-1 顯示了典型的等效熱電路，其中包括 GaN FET 的結至外殼熱阻、PCB、熱介面材料 (TIM) 和散熱器。GaN FET 的結溫是功率損耗和結至空氣總熱阻的函數。結溫估算值為方程式1。
Tj=PLoss × Rθj-a + Tamb
其中
•Tj 是結溫
•PLoss 是總耗散功率
•Rθj-a 是總熱阻
•Tamb 環境溫度
工程師可使用公式 2 估算 Rθj-a。
Rθj-a= Rθj-c(bottom) + RθPCB + RθTIM + Rθhs (2)
其中
• Rθj-c(bottom) 是晶片結與封裝 DAP 之間的熱阻
• RθPCB 是 PCB 的熱阻
• RθTIM 是 TIM 的熱阻
• Rθhs 是散熱器的熱阻
圖 1-1. PCB 的 QFN 封裝（綠色）、TIM（藍色）和散熱器（灰色）
與強制冷卻應用中底部路徑的熱阻相比，頂部路徑的熱阻（如圖 1-1 中的虛線箭頭所示）是最小的。典型底部冷卻配置使用了散熱過孔、翅片散熱器以及足夠的氣流，因此，通過頂部路徑的耗散熱量低於 10%。
2 散熱注意事項
2.1 封裝熱阻
TI 的 LMG341XRxxx GaN 功率級採用低電感 QFN 封裝，可避免長引線和鍵合線產生高電感，從而實現快速開關速度。器件底部的散熱焊盤焊接在電路板上，用於將熱量從結有效傳遞至 PCB 上。結至外殼的典型熱阻為0.5°C/W。
2.2 PCB 堆疊
結的熱量從散熱焊盤傳遞到 PCB 的頂層，然後通過多個散熱過孔傳遞到 PCB 的底層。PCB 的熱阻是電路板厚度、各層銅厚、方向和散熱過孔數量的函數。
2.2.1 各層銅厚
頂部銅層充當均熱片。隨著銅層面積的增加，垂直方向的有效熱阻會降低。散熱超過某一點後會達到飽和，該點具體取決於銅厚度。所以，大而厚的頂部銅層大於散熱焊盤面積是有利的。圖 2-1 所示為 LMG3410R050-HBEVM 電路板頂部銅層（以紅色顯示）上的均熱片示例。
內部銅層分散了熱通量並增加了熱傳導面積。底部的銅層與 TIM 接觸。底層銅區域必須包含位於頂部銅層上的散熱平面區域，並且具有足夠的銅厚度以進行散熱。出於這些原因，TI 建議工程師每層的銅用量至少為 2oz。為了減少熱阻，還必須除去此散熱平面的阻焊層。
圖 2-1. LMG341X GaN 功率級的散熱焊盤和 LMG3410R050-HB-EVM 的頂部銅層均熱片
2.2.2 電路板厚度
電路板厚度由層數和層厚、電氣佈線以及機械強度要求決定，並直接影響從 GaN 封裝到 TIM 表面間的總熱阻。熱阻隨著電路板厚度的增加呈線性增加。
為了更大限度地減小電源環路電感，建議使用 4 層電路板，以便從相鄰層返回電源環路。圖 2-2 所示為一個電路板層堆疊示例。通常情況下，通過改變電介質 2 的厚度來增加或降低電路板厚度。考慮到關鍵信號的信號完整性和對開關節點添加的寄生電容，最小厚度取決於相鄰層的信號隔離要求。對於 1kW 以下的低功率級別，推薦 2oz厚銅板的最小厚度為 32mil，其中電介質 2 厚度為 10.6mil。
圖 2-2. 4 層電路板的層堆疊示例
對於 1kW 以上的更高功率級別，TI 建議最小厚度為 47mil，以防電路板翹曲並適應不同的散熱器安裝方法。在這種情況下，電介質 2 厚度增至 25.8mil。
2.2.3 散熱過孔數量
FR-4 是一種性能較差的導熱材料。可通過電鍍散熱過孔提高其導熱性。散熱過孔直徑通常為 8mil 至 12mil，應置於 GaN 封裝的散熱焊盤下方。LMG3410R050-HB-EVM 上的散熱過孔如圖 2-1 所示。每個 GaN 有 71 個過孔，孔大小為 8mil。包括內部各層在內的所有層都具有散熱平面，可優化散熱和傳熱。
為了提高電源環路電感，器件散熱焊盤下面的整個平面不應有散熱過孔。原因是為了在中間層 1 和器件下方返回電源回路，從而更大程度地減小電源環路電感，如應用手冊《LMG3410 智慧 GaN FET 高電壓半橋設計指南》(SNOA946) 所述。
2.2.4 PCB 熱阻
PCB 的總熱阻與並聯導熱的散熱過孔的等效熱阻接近。工程師可使用公式 3 來計算每個過孔的熱阻。
Rvia = Resistivity × L / A (3)
其中
• L 和 A 分別表示散熱過孔的長度和面積
鍍銅的熱阻率為 0.249cm-K/W（在 300K 下）。過孔長度約等於電路板厚度。計算過孔壁鍍銅的導熱面積時，使用公式 4：
A = (dia + pthk) × pthk × π (4)
其中
• dia 和 pthk 分別表示直徑和鍍銅壁厚
典型過孔的鍍銅厚度為 25µm。使用公式 3 和公式 4 計算，LMG3410R050 HB-EVM 電路板中單個散熱過孔的熱阻是 166°C/W，因此 PCB 的總熱阻是 2.33°C/W。同樣，LMG3410R070 HB-EVM 電路板有 39 個過孔，其直徑為 12mil，板厚為 32mil，總熱阻為 2°C/W。此估算是基於使用導熱環氧樹脂填充過孔。為了獲得更好的熱性能，可以考慮使用成本較高的銅填充過孔。
2.3 熱介面材料 (TIM)
熱介面材料 (TIM) 用於對散熱器進行熱耦合，並使散熱器與 PCB 的底部銅層實現電氣絕緣。要形成良好的散熱介面，需要一定的厚度進行間隙填充。
常用的 TIM 如表 2-1 所示，包括：
• 粘合劑：這種類型的 TIM 不需要恒定的壓力，但由於添加了粘合劑，這類材料通常具有低熱導率。
• 導熱墊：通常具有良好的導熱能力，但在接觸介面處（PCB 至 TIM 和散熱器至 TIM）具有較高熱阻。安裝導熱墊時，需要在散熱器和 PCB 之間保持壓力恒定。
• 相變材料：這種 TIM 的導熱性介於粘合劑和導熱墊之間，但能夠將接觸介面弄濕，從而提供穩定性能。它還需要加壓安裝散熱器。
間隙填充材料具有超高的導熱性，但厚度較大。這種材料受壓可壓縮高達 50%，從而顯著降低熱阻。然而，100psi 以上的較大壓力可能導致電路板翹曲和 PCB 的機械故障。底部銅層上壓力不均也會導致 GaN FET 的熱阻和溫度不均。另一方面，相變材料不需要較大的壓力，因為其熱阻不會隨壓力的變化而顯著變化。
雖然，粘合劑 TIM 的熱阻比其他兩類材料的大。但它是採用較小散熱器的幾個替代方案之一（將在節 2.4 中說明），而且其組裝流程更簡單。
比較和選擇 TIM 的一個實用方法是，測量結至 TIM 表面的熱阻，即 Rθj-s（如圖 1-1 所示）。表 2-1 匯總了我們的實驗室測量結果。在選擇過程中還應考慮成本。
表 2-1: TIM 屬性和性能比較
對於某些可使用封閉金屬外殼抑制輻射 EMI 的應用，導熱油脂等非隔熱 TIM 或直接焊接散熱器對於顯著降低熱阻是可行的。將散熱器直接焊接到 PCB 時，需要對鋁散熱器底板電鍍錫鉛或銀。這是一種定制設計方法，成本可能比使用導熱油脂要高。
2.4 散熱器
散熱器是熱管理中非常重要的因素之一，它影響著系統的總功率密度。對於 1kW 以下的低功耗應用，散熱器尺寸通常小於 30mm × 30mm。由於難以找到適用於這些較小散熱器的安裝機制，因此通常使用粘合劑 TIM。
在 1kW 以上的較高功率級別下，熱管理性能變得更加重要。對於尺寸為 30mm × 30mm 及更大的散熱器，附有推針的散熱器可與導熱性更好的 TIM 耦合。對於尺寸為 35mm × 35mm 以上的散熱器，優先選擇具有固定引腳的QSZ 夾。附有推針的散熱器有一個優點，即可以使用彈簧和推針組合輕鬆調節壓力。作用力不是均勻分佈的，散熱器中間的壓力最小，而各個角的壓力最大。
另一方面，QSZ 夾具有在散熱器中間活動的條塊，用於將散熱器基板向下推至下面的熱介面。這使整個介面保持相對恒定的壓力，並提供比角安裝機制更一致的熱介面。然而，施加的壓力太高會使 PCB 翹曲，這決定了子卡PCB 的厚度。PCB 越厚，PCB 堆疊上的熱阻越高。所以，TI 推薦工程師將附有推針的散熱器用於子卡設計，並在主機板上安裝 GaN FET 的應用中使用帶固定引腳的 QSZ 夾。 表 2-2 總結了以上關於散熱器的討論。
表 2-2: 散熱器安裝機制
3 設計示例：圖騰柱 PFC 轉換器
圖騰柱 (TP) 功率因數校正 (PFC) 是一種常見的電源拓撲，適用於各種工業、電信和伺服器應用中基於 GaN 的轉換器。熱管理在實現這些設計的系統效率和功率密度目標方面發揮著重要作用。表 3-1 匯總了典型的系統規格。
表 3-1: TP PFC 轉換器運行規格
3.1 針對 1.2kW 以下設計的散熱和性能優化
對於這些應用，使用粘合劑 TIM 安裝的較小散熱器通常便已足夠。圖 3-1 所示的 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在設計時使用了 32mil 厚的電路板（具有 39 個過孔，過孔直徑為 12mil，用於高側 GaN FET 的熱傳遞，TIM 為Bondply-100）。
圖 3-1. 1.2kW 半橋設計
利用電路板的這些參數，測得的結至散熱器熱阻約為 8°C/W，因此 TIM 本身在 400LFM 強制空氣冷卻下的熱阻應約為 5.5°C/W，詳見表 3-2 概述。為了在 100kHz 開關頻率下實現 1.2kW 功率，選擇了 20mm × 20mm × 10mm散熱器，它能為每個 FET 提供的結至環境熱阻約為 16.4°C/W。
表 3-2: LMG3410R070-HB-EVM 在 400LFM 強制空氣冷卻下的熱阻
利用 20mm × 20mm × 10mm 散熱器，LMG3410R070-HB-EVM 電路板的預期功率損耗和估算結溫繪製於圖 3-2和圖 3-3 中。這些曲線說明了 LMG3410R070-HB-EVM 在 TP PFC 應用中採用表 3-1 規格後的預期結果。
圖 3-2. TP PFC 應用中 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗
圖 3-3. TP PFC 應用中高側 LMG3410R070 在 400LFM 冷卻下的結溫
LMG3410R070-HB-EVM 專為使用粘合劑 TIM 的 1.2kW 應用而設計。 表 3-3 顯示了 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在各種功率級別下所需的空氣冷卻。
表 3-3: LMG3410R070-HB-EVM 針對各功率級別所需的冷卻
3.2 針對 1.2kW 以上設計的散熱和性能優化
用於更高功率應用的熱管理設計需要更好的 TIM 和更大的散熱器。圖 3-4 所示的 LMG3410R050-HB-EVM，通過Gr-45A 導熱墊 TIM 和 47mil 的電路板厚度來避免電路板發生任何翹曲。導熱墊具有更低的成本和相似的熱性能，所以比相變 TIM 更勝一籌。為了實現約 2.3°C/W 的電路板熱阻，過孔直徑設為 8mil，並採用 71 個散熱過孔。
TIM 熱阻約為 3.2°C/W。採用 30mm × 30mm × 20mm 推針散熱器時，每個 FET 的結至空氣總熱阻為 9.2°C/W，如表 3-4 所述。
圖 3-4. 2kW 半橋設計
表 3-4: LMG3410R050-HB-EVM 在 400LFM 強制空氣冷卻下的熱阻
基於表 3-3 所述的 LMG3410R050-HB-EVM 熱堆疊，圖 3-5 和圖 3-6 顯示了高側 GaN FET 的預期功率損耗和結溫。這些曲線提供了有關 LMG3410R050-HB-EVM 在 TP PFC 應用中的預期結果資訊。
圖 3-5. TP PFC 應用中 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗
圖 3-6. TP PFC 應用中高側 LMG3410R050 在 400LFM 冷卻下的結溫
LMG3410R050-HB-EVM 專為使用導熱墊的 2kW 應用而設計。 表 3-5 顯示了 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在各種功率級別下所需的空氣冷卻。
表 3-5: LMG3410R050-HB-EVM 針對各功率級別所需的冷卻
4 總結
熱性能與影響電源轉換器效率、可靠性和功率密度的電氣和磁性元件性能同樣重要。這篇文章簡要介紹了每個元件的熱堆疊和優化，包括 PCB、熱介面材料和散熱器。該指南以圖騰柱 PFC 為例，重點介紹了使用LMG3410R070 的 1.2kW 半橋設計以及使用 LMG3410R050 的 2kW 設計。該指南還討論了 GaN FET 在所設計
EVM 中的預期半橋功率損耗和結溫，以及在不同功率級別下所需的空氣冷卻。
5 參考文獻
• Eric Faraci 和 Jie Mao，《LMG3410 智慧 GaN FET 高壓半橋設計指南》，TI 應用報告 (SNOA946)
