由于氮化镓场效应晶体管具有本质上更低的导通电阻,这些器件的尺寸比具有同等导通电阻的功率MOSFET晶片小很多,因此具有更高的等效热阻。然而,氮化镓场效应晶体管还具有低很多的品质因素,因此具有较低的开关功率损耗。
这种功率损耗方面的改善可以补偿更高的热阻吗?
为了回答这个问题,我们需要了解两种常见的情形:(1)器件作为“倒装晶片”,我们把器件安装在印制电路板上,而没有配置额外的散热器:及(2)安装器件时采用双面冷却方式的情况。
单面冷却
因为氮化镓场效应晶体管构建在标准的硅晶圆上的一层非常薄的异质结材料上,因此如果直接安装器件在印刷电路板上,由于没有配置任何背面冷却的器件,其散热表现与使用同样装贴方法的硅器件的散热表现一样,需要完全了解器件的热性能表现结果的变量包括:(1)印刷电路板的铜箔面积；(2)铜的厚度；(3)印刷电路板的材料；以及(4)在器件上面的气流情况。
测试直接安装在FR-4印刷电路板材料上的多个行业标准封装,测量对象是一平方英寸,两盎司铜、具有足够铜用作电接触至引线。这种方法将器件外形的影响与印刷电路板上的铜金属所带来的冷却效果分开,当不同封装被安装在一平方英寸的铜的上面时,我们看到的影响是相对较小的(D2PAK封装具有最小RθJA值18℃/W,而SO-8具有最大RθJA值34℃/W),这是因为主要的热阻是从印刷电路板上所散出的热量而来。与这些测试一致的是,我们估计安装在一平方英寸。两盎司铜上的氮化镓场效应晶体管的RθJA值,其在静止空气中大约是40℃/W。这个性能
可以通过增加气流面得以显著改善。
双面冷却
为了取得氮化镓场效应晶体管的最优秀顶层冷却效果,我们构建了如图1所示的装置。针对这些“最佳案例”的热测量,我们将RDS(ON)值用作温度灵敏度参数,而散热器则经过水冷的过程。所得的测量数据表明,一系列氮化镓场效应晶体管产品,当冷却过程主要是在它们的导电面积下方的硅基进行时,所得数据是12-14℃-mm2的标准化RθJA值,在这些条件下,具大面积的氮化镓场效应晶体管具有约2℃/W的RθJA值,小面积的场效应晶体管则具有约8℃/W的RθJA值。
图1 测试氮化镓场效应晶体管的最优秀热阻装置。
当我们实际实现双面冷却时当然没有如图1所示的那么理想,从而导致高一些的热阻值。在图2所示的配置中,一个散热器同时冷却两个器件。当多个晶片被放置在同个散热器的下方,必须十分小心,避免因晶片稍微倾斜或跟印刷电路板的距离不同而引起不均匀的压力,而造成机械性的损坏。由于场效应体管的基板必需连接至源极电压,散热器是以必需与至少其中一个晶片绝缘。
图2 两个晶片放在使用隔热盘散热器的下面。