NV612XGaNFast?功率半導體器件的熱處理

最新的納微GaNFasl?電源集成電路NV6123/25/27,集成在6mmx8mm的

QFN封裝內(nèi)。這個封裝增加了一個大的冷卻片，用于降低封裝的熱阻和提高散

熱性能。

’這種封裝使高密度電源的設計更加可靠，特別是對于沒有氣流的全封閉充電

器和適配器應用中。能夠充分利用這些熱效益，就必須在PCB布局、熱接口和

散熱，全部設計妥當。正確的熱管理可以最大限度地提高使用GaN功率電路時

的效率和功率密度。

木文介紹PCB布局指南和示例，以幫助設計師設計；提供NV612X(3萬/7)

的封裝圖，供工程師朋友設計電源layout使用。

概述

普遍的NV6113/15/17GaN功率器件(QFN5x6mm)設計在各種高密度PD電

源。對于具有更具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境的設計，這個更大的QFN6x8mmGaN功率器

件產(chǎn)品能更有效地去除熱量。新的6x8mmQFN封裝的集成電路引腳包括(見圖

1)漏極(D)、源極(S)、控制管腳和一個大的冷卻片(CP)o

SourcePins(S)CoolingPad(CP)

<eControl

灣Pins

DrainPins(D)

PQFN6x8mm

(BottomView)

圖1帶有CP的MV6125GaN功率IC

控制管腳柵極驅動和GaN功率FET的開/關控制，并且外部功率轉換電珞的

人部分開關電流從漏吸流過GaN功率FET,并流向源管腳。一小部分開關電流

確實流過芯片的硅襯底，并通過襯底流出。在封裝內(nèi)部，集成電路直接安裝在冷

卻片上。圖2所示。

圖2NV6125工作原理電流示意圖圖3帶CP的NV6125PCB示意圖

因此，GaN功率管的功率損耗產(chǎn)生的熱量必須通過冷卻片(CP)、焊料和

PCB排出。圖3所示；盡可能多地使用銅來連接裝焊接層增加散熱面積是有幫

助的。使用熱通孔將熱量傳遞到PCB的另一側或具有大銅平面的內(nèi)層，然后在

那里進行擴散和冷卻。冷卻片連接到芯片基板，芯片基板可以相對于源極電平浮

動+/-10V。對于使用電流檢測電阻的應用（CS采樣），冷卻片可以連接（圖4）

到源極引腳（在電流檢測電阻RCS的頂部），或者連接到PGND以獲得額外的

PCB散熱面積。

圖4帶有冷卻片的簡化示意圖（連接到源極和連接到PGND）

PCB指南（不帶CS檢測電阻）

在設計氮化線GaN功率電路的PCB版圖時，為了達到可接受的器件溫度，

必須遵循兒個準則。

必須使用熱通孔將熱量從頂層IC焊盤傳導到底層，并使用大面積銅進行

PCB散熱。

以下布局步驟和說明了最佳實踐布局，以實現(xiàn)最佳的IC熱性能。1）將GaN

IC6x8mmQFN封裝在PCB頂層。2）將控制所需的附加SMD部件放置在頂

層（CVCC、CVDD、RDD、DZ）。將SMD部件盡可能靠近IC引腳！3）布置

SMD部件、走線連接全部在頂層。4）在冷卻片和側邊的頂層放置大片銅區(qū)域。

5）在冷卻片內(nèi)部和側邊放置熱通孔。6）在所有其他層（底部、midl、mid2

等）上放置較大的銅區(qū)域。

Largethermal

copperarea

ThermalViasonbottom

OuterDia■0.65mmandmid

Hole■0.33mmlayers

Pitch=0.925mm

WallThickness■1mil

(c)Placethermalviasinsidecoolingpadandsides(d)PlacelargecopperareasonbottocrnM

PCB指南（帶CS檢測電阻）

當使用放置在電源和PGND之間的電流檢測電阻Res時，浮動冷卻片允許

PCB銅區(qū)延伸穿過電流檢測電阻Res并直接連接到PGNDo

當設計帶有CS檢測電阻的PCB時，應遵循以下步驟：I）將GaNIC6x8mm

PQFN封裝在PCB頂層。2）將控制所需的附加SMD部件放置在頂層（CVCC、

CVDD、RDD、DZ）o將SMD部件盡可能靠近IC引腳！3）在頂層布置SMD

組件、控制管腳、排水管腳和源管腳的連接。4)在冷卻片和側邊的頂層放置大

型銅區(qū)域。5)在冷卻片內(nèi)部和側邊放置熱通孔。6)在所有其他層(底部、

midi、mid2等)上放置較大的銅區(qū)域。7)用通孔將冷卻墊銅區(qū)電位連接到

PGNDo

GaNFast

PWMPowerIC

,6x8mmQFNthermal

二

二Drain

Cooling

Pad

⑶PlaceandrouteGaNICandSMDontoplayer(b)Placela’gecopperareaatcoolingpadandsides

Largecopp?r

areasonOOOO

bottomandOOOO

midlayers

ThormalVias

OuterDia=0.55mmConnect

Hole■0.33mmcoolingpad

Pitch?0.925mmpotentialto

WallThickness=1milPGNDwith

vias

Stretchextra

copperarea

acrosstoPGND

(c)Placethermalviasinsidecoolingpadandsides(d)Placelargecopperareasonbo*/rnld

layers.ConnectcoolingpadpotencyjPGNu.

NV6125與NV6115熱比較

在65w高頻準諧振反激演示板上測試和比較了NV6125(6x8mm)和NV6115

(5x6mm)的熱性能。兩個部分在相似的交流輸入、直流輸出和效率條件下進行

了測試。通過遵循推薦的PCB布局指南，對兩個GaN功率IC的PCB布局進

行了優(yōu)化。

Q2

NV612x(3/5/7)NV611x(3/5/7)

QFN6mm*8mmQFN5mm*6mm

結果表明，在低壓AC90V輸入和滿負荷條件下，NV6125在其外殼溫度降

低9.4攝氏度。

a)NV6115(90VAC,100%Load)a)NV6125(90VAC,

NV6125vsNV6115ThermalComparison(65WHFQR,Ta=25C)

NV6115NV6125

VACInput

TNV6125~TNV611S

EFFTempEFFTemp

90VAC92.9%89.6C93.0%80.2C-9.4C

產(chǎn)品選擇指南

下表顯示了納微針對不同電路拓撲和功率水平的GaN器件選型建議（僅限

典型）。

拓撲架構國30W-345W|65W|150WJ|3OOW|

NV6115or

QR9NV6N3-NV6125*'N/A?3N/A。

NV6123“

■U3IHS)

NV6113(HS)NV6113(HS)

ACF)NV6115(LS)N/A?，N/A。

NV6113(LS)NV6125(LS).

orNV6252。

PFC(CrGM)1NA*N/A；NIA*NV6127>NV6127X2-

NV6113(HS1

LLC-N/A*>N/A；N/A-7ygi工5但§上

NV6113(LS.

附：GaNNV6125和NV6115封裝圖資料。提供給工程師朋友進行電路設

計參考；

半導體功率器件的散熱設計

摘要：本文主要闡述功率器件的散熱原理及加裝散熱器的必要性，介紹如何

正確選用散熱器。

關鍵詞：結溫；散熱器；散熱；熱阻

Abstrct:Thispapermainlyexpoundsthenecessityandprincipleof

powerdeviceswithheatradiator,introduceshowtochoosetherightradiator.

Keyword:junctiontemperatureradiatorcoolingthermalresistance

引言

半g體功率器件是多數(shù)電子設備中的關鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響

整機可靠性。相關實驗已經(jīng)證明，器件工作溫度亙接影響其自身的可靠性，但是

在功率轉換電路中，器件自身會消耗一部分能量，這部分能量會轉換為熱量，使

器件的管芯發(fā)熱、結溫升高，當結溫超過器件自身規(guī)定的允許值時，電流會急劇

增大而使晶體管燒毀。要保證結溫不超過允許值，就必須將產(chǎn)生的熱量有效的散

發(fā)出去。

要解決散熱問題正以從如下兩方面入手，一是通過優(yōu)化設計方式來減少發(fā)熱

量，如采用通態(tài)壓降低的器件；另一方面是利用傳導、對流、輻射的傳熱原理，

將熱量快速釋放到周圍環(huán)境中去，以減少熱積累，使器件工作溫度降低，如采用

合適的散熱器。

本文主要針對上述第二個方面進行探討，分別從熱設計相關概念、散熱過程、

正確選用散熱器方法以上三個方面進行分析，以實例介紹方法的有效性。

散熱過程是一個非常復雜的過程，影響因素較多，本文僅針對關鍵參數(shù)進行

介紹，所有計算均為理想計算，與實際情況會存在一定的偏差。

一、熱設計相關參數(shù)

1.耗散功率

在電路中功率器件自身消耗的功率。

2.熱阻

熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力，即1W的

熱量所引起的溫升大小，單位為C/W或K/W。

3.元件最高結溫

元件允許的最高工作溫度極限，可參考本文提供的數(shù)據(jù)手冊。

4.散熱器

用于加速發(fā)熱體散熱，防止元件熱積累的裝置，一般分為型材散熱器和叉指

散熱器。

5.散熱器規(guī)格實例YCZ8-25-6-H

表面處理:H—黑色;Y--銀色

加工孔樣

切斷長度（mm）

散熱器型號

二、散熱過程

根據(jù)熱建導特點，兩點之間有溫度差時，熱能總會從高溫點流向低溫點。通

常器件最主要的發(fā)熱部分在半導體芯片內(nèi)部，熱傳導過程可以參照圖1,其熱量

通過管芯傳到外殼、外殼傳至散熱器、散熱器傳至環(huán)境，各部分熱阻可分別表示

為：

管芯至管殼熱阻Rthj；管殼至散熱器熱阻Rthcs；散熱器至空氣的熱阻Rthsca

總熱阻=Rth=Rthj4-Rthc+Rthsca

當芯片單位時間內(nèi)消耗的功率所產(chǎn)生的熱量與單位時間內(nèi)散發(fā)出去的熱量

相等時，芯片的溫度就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，結溫也就不再升高了。

熱回路與電路圖很相似，它可用電學模擬方法描述熱量傳輸。也就是可將溫

差AT看成電壓，單位時間內(nèi)器件功耗P看成電流，而熱阻R則與電阻相似，這

樣功耗、溫差和熱阻之間的關系就和歐姆定律相似，參照畫電路圖的方法可以給

出熱傳導網(wǎng)絡圖（圖2）,該熱路圖可以表示為：

圖1圖2熱路圖

按照上述熱傳導關系，可以計算出散熱器的熱阻，根據(jù)散熱滯熱阻可以進一

步尋找到滿足條件的散熱器。一般散熱器廠商會根據(jù)使用環(huán)境會給出自然冷卻熱

阻、溫升曲線（圖3）和風冷冷卻熱阻、溫升曲線（圖4）,但對于沒有上述曲線

的型材散熱器，其自然冷卻熱阻、溫升曲線可以計算得出。

圖3自然冷卻熱阻、溫升曲線圖4風冷冷卻溫升曲線

三、散熱選型設計

在熱設計中，散熱器選型應滿足以下原則：“散熱器熱阻小于熱路中計算出

的散熱器熱阻；散熱器的散熱功率大于熱源損耗功率”。

根據(jù)以上原則，自然冷卻及強迫風冷兩種使用環(huán)境下，散熱器選型設計可按

照以下步驟進行。

1、自然冷卻散熱器選擇步驟

（1）計算總熱阻

其中;Tjmax為晶體管允許最高結溫

Ta為環(huán)境溫度

Pc為熱源最大損耗功率

（2）計算散熱器熱阻

其中：Rthj結殼熱阻，可以通過晶體管器件手冊熱阻曲線查出

Pthcs殼到散熱器的熱阻，根據(jù)接觸面的處理方式，查找相關文件得出，可

參照本文后面附圖lo

（3）確定散熱器型號

叉指形散熱器或型材散熱器

（4）根據(jù)熱阻、溫升曲線選擇合適的散熱器

根據(jù)廠商提供的散熱器熱阻、溫升曲線，結合散熱器選定原則，可以直接找

到合適的散熱器；對于沒有給出相應曲線的型材散熱器可按照以下步驟求出：

a）求出散熱器綜合散熱系數(shù)

式中：

pl—描寫散熱器Ub對g的影響，附圖2查得（L為散熱器的長度，b為

兩肋間距）；

p2—描寫散熱器h/b對N的影響，附圖3查得（h為散熱器肋片的高度）；

p3—描寫散熱器寬度尺寸W增加時對pi的影響，附圖4查得；描寫散熱器

表面最高溫度及周圍環(huán)境溫度對N的影響，附圖5查得；

b）計算兩肋片間的表面所散發(fā)的功率

c）計算散熱器散熱功率pc

單面肋片：

雙面肋片：若時則能滿足要求。

d）驗算

先計算已知散熱器面積s:

式中：——散熱器基板厚度。

計算散熱器的熱阻則選擇合理，若不滿足則需要重新選擇散熱器重復a~d

步驟，直到滿足為止。

2、強迫風冷散熱器的選擇步驟

（1）計算總熱阻

其中：Tjmax為晶體管允許最高結溫

pc為熱源最大損耗功率

（2）計算散熱器熱阻

其中：Rlhj結殼