揭秘熱設(shè)計：集成電路設(shè)計的關(guān)鍵密碼

熱設(shè)計是一個至關(guān)重要的課題，其中的各種規(guī)則、縮略語和復雜方程時常讓人感到它似乎是個深不可測的神秘領(lǐng)域；但其對于集成電路設(shè)計的意義卻不容忽視——畢竟，溫度是導致大多數(shù)半導體在現(xiàn)實應(yīng)用中失效的最大環(huán)境因素。元件的預(yù)期壽命會隨著溫度的每一度升高而縮短。

本文將帶您深入探討設(shè)計工程師在熱設(shè)計過程中需要關(guān)注的一些關(guān)鍵問題。具體來說，我們將聚焦大功率氮化鎵（GaN）器件及其在實際應(yīng)用中所面臨的相關(guān)熱問題。

針對可靠性的熱設(shè)計

熱設(shè)計是一個復雜的課題，但其中也有一些基礎(chǔ)原理值得深入探討。首先讓我們回顧一下在印刷電路板（PCB）上采用塑封半導體時的一些基本知識。

熱設(shè)計過程中，熱路徑的規(guī)劃是首先要考慮的因素；它為半導體產(chǎn)生的熱量提供了一條通向外界環(huán)境空氣的路徑。這條熱路徑一般會通過接地焊盤穿過器件封裝的底部（如圖1所示）。因此在應(yīng)用設(shè)計中，應(yīng)當選擇那些能夠通過器件接地片將熱量從封裝底部有效引出的PCB。

在此類封裝中，由于塑封化合物導熱性能不佳，試圖從封裝頂部吸取熱量的方法并不奏效；而從頂部冷卻又可能導致結(jié)點和溝道溫度過高，從而引發(fā)器件性能下降甚至失效。

為確保采用正確的排熱方法，在設(shè)計系統(tǒng)或最終產(chǎn)品時，盡可能多地利用半導體供應(yīng)商提供的信息和材料（包括S2P參數(shù)和PCB Gerber文件等）非常重要。例如，導通孔的放置和創(chuàng)建對于從設(shè)備中排出熱量并提高部件可靠性十分關(guān)鍵——這些類型的說明和導通孔的放置，通常可在半導體供應(yīng)商提供的PCB Gerber文件中找到。

接地片與PCB之間的焊接附著物，應(yīng)選用能夠高效優(yōu)化散熱的高品質(zhì)材料。通孔的位置、大小和樣式往往由供應(yīng)商根據(jù)性能優(yōu)化原則提供，因此應(yīng)在供應(yīng)商的指導下使用。通孔的位置、樣式和類型對于實現(xiàn)低熱阻的散熱通道具有重要作用。使用散熱片時，最好將其連接至IC結(jié)點或溝道的最低阻抗路徑上。

此外，PCB的熱阻與電路板的整體厚度成正比，導熱孔也是影響熱阻值的因素之一。因此，對于采用方形扁平式無引腳（QFN）封裝的大功率GaN器件，通常選用厚度為8mil密爾（毫英寸）的超薄PCB，以最大程度降低熱阻。PCB材料的熱性能還受到銅在電路板上鋪設(shè)方式的影響。

要將熱量向下方安裝散熱片的區(qū)域傳遞，至少需要使用散熱孔。散熱孔是在電路板上鉆出的鍍銅孔，用于形成從一個銅層到下一個銅層的導熱通道。銅層越厚越好，因為它提供了極佳的導熱性，但使用的銅越多，成本也越高。

在低功率應(yīng)用中，增加PCB的層數(shù)對元件的熱傳導具有顯著影響。雙層電路板和四層電路板之間的溫差可能高達20°C，具體取決于銅平面的散熱布局設(shè)計（如圖2所示）。

盡管對于低功率場景，增加PCB層數(shù)能夠帶來一定的益處，但在高功率應(yīng)用中卻會產(chǎn)生適得其反的效果。例如，在諸如GaN高功率器件等應(yīng)用中，特別是在功率超過10至15瓦的情況下，增加PCB層數(shù)不僅會增加熱阻，還可能干擾熱傳導路徑。

大功率GaN器件應(yīng)用注意事項

針對GaN器件及單片微波集成電路（MMIC）進行熱分析時，推薦采用一種綜合方法；這種方法充分利用器件建模、經(jīng)驗測量（包括微型拉曼熱成像）以及有限元分析（FEA）仿真，已被證明為最有效且最準確的手段。一旦完成基線熱模型的建立，便可通過FEA來精準預(yù)測器件級的溝道溫度及熱阻。

如果無法使用微型拉曼熱成像和FEA建模，而只能使用紅外（IR）相機，那么必須清楚了解IR成像在精度上的局限。IR相機的空間分辨率比FET溝道的柵極長度大一個數(shù)量級，并且得到的表面溫度為面積均值，遠低于真實的最高溝道溫度。

建議與GaN器件供應(yīng)商的應(yīng)用團隊緊密合作，以確保GaN器件在您的應(yīng)用中以足夠低的溫度運行。還可以從其應(yīng)用團隊獲得產(chǎn)品整體散熱模型，并將其納入您的系統(tǒng)級散熱模型中，以更準確地評估器件運行環(huán)境，進而確定由此產(chǎn)生的結(jié)溫或溝道溫度。

對于GaN裸片元件，應(yīng)直接將其安裝在導熱性良好的散熱片材料上或中間載板上，例如使用裸片貼片（die-on-tab）方式。安裝時，應(yīng)（優(yōu)先）使用金錫共晶焊料或高導熱性環(huán)氧樹脂。散熱片可以與下一級組件集成，也可使用焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂以裸片貼片的結(jié)構(gòu)直接安裝在下一級組件的散熱片上。

金錫焊料和許多導熱性環(huán)氧樹脂具有較低的熱阻值，并且能夠承受熱膨脹系數(shù)（CTE）失配造成的應(yīng)力（在將GaN芯片安裝到高導熱性材料上時經(jīng)常出現(xiàn)）。確保金錫焊點無空隙非常重要，尤其是在裸片有效區(qū)域下方。如果采用導電的環(huán)氧樹脂較薄的情況下，則銀漿必須均勻、無空隙，以最大限度提高熱導率。

不建議將GaN裸片功率器件直接安裝在印刷電路板上，除非將其安裝在高導熱金屬塊（如銅塊）上，以保證足夠的熱傳導。

GaN QFN和表面貼裝封裝應(yīng)用

GaN QFN和表面貼裝封裝組件直接安裝在PCB上。這些GaN放大器通常用于中等功率耗散的應(yīng)用中；無論是連續(xù)波（CW）模式還是脈沖應(yīng)用。在這些場景中，需要采用銅質(zhì)導熱通孔來為系統(tǒng)散熱片提供導熱路徑。在選擇通孔的尺寸、位置、類型以及鍍銅量時，應(yīng)充分考慮優(yōu)化PCB設(shè)計的整體導熱性能。

對于GaN QFN封裝，建議將PCB厚度降至最低（如0.008英寸），以保持較低的熱阻。使用具有密集通孔陣列的薄型PCB尤為重要，尤其對于高頻GaN MMIC。

導熱路徑通常是器件散熱的最有效途徑。對于QFN和表面貼裝封裝放大器，確保從封裝底部輸出的面積均值CW熱通量大于1W/mm2非常重要。此外，強烈建議使用鑲埋銅塊的PCB，以為系統(tǒng)散熱片提供良好的導熱路徑。此外，對于任何熱通量超過2 W/mm2的應(yīng)用，都必須在封裝下方鑲埋銅塊。

GaN鍍銅（CP）與法蘭式封裝應(yīng)用

在大功率GaN封裝晶體管或封裝MMIC與散熱片之間，具備良好的熱界面非常關(guān)鍵。

封裝連接不良是導致熱失效的一個主要原因。在高功率情況下，Qorvo建議使用由導熱材料（如銦片或石墨膜）制成、厚度為2到4mil密爾（約50-100μm）的熱界面材料（TIM）；或者，也可使用厚度為1到2mil密爾（約25-50μm）的導熱膏或?qū)峄衔铮采w整個封裝基底區(qū)域，以便安裝法蘭式封裝的器件。

TIM的使用中有一個要點需要注意：為了獲得良好的熱傳導效果，必須施加足夠的壓力。在采用導熱膏或?qū)峄衔飼r，應(yīng)確保至少達到80%的覆蓋率。

結(jié)論

良好的熱設(shè)計對于現(xiàn)場可靠運行十分關(guān)鍵；特別是針對那些產(chǎn)生大量熱量的大功率元件而言，重要性更不言而喻。

通過遵循基于最佳實踐的熱設(shè)計技術(shù)，工程師們能夠確保系統(tǒng)性能的優(yōu)化，最大限度地減少潛在問題，并盡可能地延長元件的使用壽命。

 (來源：Qorvo半導體,作者：David Schnaufer ,技術(shù)市場傳播經(jīng)理)