原標(biāo)題：GaN 功率級(jí)設(shè)計(jì)的散熱注意事項(xiàng)

GaN（氮化鎵）功率級(jí)設(shè)計(jì)在散熱方面需要特別注意以下幾點(diǎn)：

一、GaN器件特性與散熱需求

• 高頻與高效：GaN FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）具有高頻、高效的開關(guān)特性，以及零反向恢復(fù)損耗，這使得它們適用于高功率密度、小尺寸的設(shè)計(jì)。

• 散熱重要性：為了充分利用GaN的快速開關(guān)速度，需要最大限度地減小電源環(huán)路電感，這要求精細(xì)的PCB（印刷電路板）布局和低電感的封裝。同時(shí)，由于GaN器件在高頻高效工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，良好的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

二、PCB布局與散熱設(shè)計(jì)

• 低電感封裝：采用低電感封裝，如TI（德州儀器）的LMG341XRxxx系列，其8mm×8mm低電感底面冷卻的QFN封裝可實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度高于100V/ns。

• 散熱焊盤：GaN器件底部的散熱焊盤應(yīng)焊接在電路板上，以有效將熱量從結(jié)傳遞到PCB上。結(jié)至外殼的典型熱阻為0.5°C/W。

• PCB層疊與散熱過孔：

• 層疊結(jié)構(gòu)：建議使用4層電路板，以便從相鄰層返回電源環(huán)路，從而減小電源環(huán)路電感。

• 散熱過孔：FR-4是一種導(dǎo)熱性能較差的材料，可通過電鍍散熱過孔提高其導(dǎo)熱性。散熱過孔直徑通常為8mil至12mil，應(yīng)置于GaN封裝的散熱焊盤下方。每個(gè)GaN器件可配置數(shù)十個(gè)散熱過孔，以提高散熱效率。

• 銅層厚度：頂部銅層充當(dāng)均熱片，隨著銅層面積的增加，垂直方向的有效熱阻會(huì)降低。建議每層的銅用量至少為2oz（盎司，約70微米厚）。底部銅層與熱界面材料（TIM）接觸，必須包含足夠的銅厚度以進(jìn)行散熱。

三、熱界面材料（TIM）的選擇

• 粘合劑：不需要恒定的壓力，但熱導(dǎo)率較低。

• 導(dǎo)熱墊：通常具有良好的導(dǎo)熱能力，但在接觸界面處（PCB至TIM和散熱器至TIM）具有較高熱阻。安裝時(shí)需要保持壓力恒定。

• 相變材料：導(dǎo)熱性介于粘合劑和導(dǎo)熱墊之間，能將接觸界面弄濕，提供穩(wěn)定性能。不需要較大的壓力，因?yàn)槠錈嶙璨粫?huì)隨壓力的變化而顯著變化。

• 間隙填充材料：具有超高的導(dǎo)熱性，但厚度較大。受壓可壓縮高達(dá)50%，顯著降低熱阻。然而，過大的壓力可能導(dǎo)致電路板翹曲和機(jī)械故障。

四、散熱器的選擇與安裝

• 散熱器類型：根據(jù)功率級(jí)別和應(yīng)用需求選擇合適的散熱器類型，如翅片散熱器、液冷散熱器等。

• 安裝方法：散熱器應(yīng)牢固地安裝在PCB上，避免產(chǎn)生過大的機(jī)械應(yīng)力。對(duì)于某些應(yīng)用，可以采用直接焊接散熱器的方式，但需要對(duì)鋁散熱器底板進(jìn)行電鍍處理。

• 散熱性能：散熱器的散熱性能直接影響GaN功率級(jí)的整體性能。在選擇散熱器時(shí)，應(yīng)考慮其熱阻、尺寸、重量和成本等因素。

五、其他注意事項(xiàng)

• 溫度監(jiān)控：在GaN功率級(jí)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加入溫度監(jiān)控功能，以實(shí)時(shí)了解器件的工作溫度，防止因過熱而導(dǎo)致的性能下降或損壞。

• 熱仿真：在設(shè)計(jì)階段，可以利用熱仿真軟件對(duì)GaN功率級(jí)的散熱性能進(jìn)行模擬和優(yōu)化，以提前發(fā)現(xiàn)潛在的熱問題。

• 環(huán)境適應(yīng)性：考慮GaN功率級(jí)在不同環(huán)境條件下的散熱性能，如高溫、低溫、潮濕等。

六、總結(jié)

GaN功率級(jí)設(shè)計(jì)的散熱是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問題。通過合理的PCB布局、選擇合適的熱界面材料和散熱器、以及加入溫度監(jiān)控功能等措施，可以有效地降低GaN器件的工作溫度，提高其可靠性和性能。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮各種因素的綜合影響，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。