GaN技术革新电机驱动：为何新型封装系统不可或缺

氮化镓(GaN)技术已被证明是高效电源应用的变革性解决方案。然而，随着GaN器件在电机驱动器和电动汽车等高电压、高频率应用中的使用，散热、封装和可靠性方面的问题也开始显现出来。通过解决重大的热管理问题，创新封装技术的最新进展旨在缓解这些挑战，从而降低成本并提高整体系统可靠性。

剑桥的一家电力电子公司QPT在半导体封装技术上取得了突破，这一进展有望在大功率应用中显著提升散热性能和可靠性。这种名为qAttach的新方法解决了一个重大的行业挑战：随着晶体管的扩展，如何有效排除晶体管产生的废热，以满足汽车和工业电机控制等领域的需求。

QPT公司首席技术官Rob Gwynne

在接受笔者采访时，QPT公司首席技术官(CTO)Rob Gwynne谈到了传统烧结方法的局限性。目前的连接方法采用了厚度为30～60μm的烧结层，这会形成一个热障，阻碍了芯片的热传导。QPT的qAttach技术提出了一种将晶体管裸片连接到衬底或散热器的新方法，从而大大减少了传统烧结技术造成的热障。

通过将此厚度减薄至零点几微米，qAttach层能够实现导热率高达十倍的提升。Gwynne指出，持续的改进可能会推动性能的进一步提高。

图1：当前工艺。(来源：QPT)

先进封装的必要性

与传统的硅基系统相比，GaN器件具有很大的优势，尤其是与高频电机驱动器结合使用时。在较小的外形尺寸下，兆赫兹级别的开关频率能够更有效地实现电机控制。然而，这些高频率也带来了一些困难：

• GaN的开关速度很高，因此需要滤波技术来保持稳定运行并降低噪声。
• 散热：传统的热管理技术难以维持工作频率和更大功率密度所要求的工作稳定性。
• 成本和可靠性：热界面和封装技术(如烧结技术)要么成本高昂，要么不足以在目前的运行条件下管理热量。

为解决这些问题，业界已开发出尖端、高效的封装方法，在降低成本的同时改善散热和系统可靠性。

电机驱动器

在电机驱动器中，从传统的IGBT转换为GaN模块所面临的问题是，必须采用能够处理高压、高频器件的新型封装方法。尽管GaN技术有多种优点，但这种变化比直接替换更为复杂。

正如Gwynne所说，“每个人都想要更高的集成度和更小的电机驱动器。许多人认为只需要用碳化硅(SiC)或GaN模块替换IGBT模块即可。但是，如果工作频率相同，这种替换的优势就微乎其微了。”这强调了重新设计系统以充分利用GaN技术高速特性的重要性。

GaN的真正威力在于它能够在更高的频率下工作，从而能够使用正弦波滤波器。这将大大节省成本并提高效率。例如，通过使用正弦波驱动器，可省去昂贵的屏蔽电缆，每次安装可节省高达1000美元。除成本外，GaN技术还能带来更多好处，如更小的系统、更少的散热器费用和更长的电机寿命。

图2：qAttach工艺。(来源：QPT)

克服热阻挑战

采用高压GaN技术的主要障碍之一是热阻管理。“在低电压条件下，GaN能够正常工作。其裸片尺寸较大且质量优良，电阻较低。即使通过20A的电流，也不会出现任何问题。”Gwynne指出。然而，在高电压下，其电阻会显著增加，从而给散热带来挑战。

在大功率和高开关频率(如1MHz而不是传统的10kHz)条件下，传统烧结工艺的热阻成为一个限制因素(图1)。这种热阻阻碍了高密度GaN器件的散热，特别是在器件裸片尺寸非常小的紧凑型设计中。

烧结是一种常见的热界面技术，但在功率密度较高时，其热阻会成为问题。其局限性包括：

• 从低频过渡到高频时散热不足；
• 热膨胀不匹配导致的结构可靠性问题。

为解决这些问题，研究人员致力于开发尖端的热界面技术，重点在于创新性的连接方法和超越传统热限制的散热器设计。

创新的关键在于通过采用超薄连接层来降低热阻。然而，使用均匀热层的传统方法在温度循环条件下面临着可靠性挑战，因为这些热层会随着时间的推移发生剪切或分层。采用间断、非连续的热连接几何结构可以缓解这一问题。

为了解决这个问题，QPT设计了一种新方法，用于生产足够薄的连接层，这些连接层不仅热阻低，而且可靠性高。在表面上制作形状，形成连接材料的袋状结构，以确保有效的热传导并防止分层现象发生。“将凸起点与裸片接触，然后凹陷部分使用我们的连接材料填充，整个结构被挤压在一起。这样可以防止分层现象，并形成一个非常薄的层，从而实现极低的热阻。”

Gwynne解释说，在传统方法中，裸片产生的热量必须先通过一层较厚的烧结层传导至衬底，再传递到散热器，而通过PCB进行的热耗散则微乎其微。QPT的新结构(如图2所示)将裸片夹在超薄qAttach层、衬底和散热器之间。将这种薄连接层与双通道散热机制相结合，一般散热效率可提高15倍。此外，该技术还能适用于更薄的衬底，因为它减少了烧结过程中高压的必要性。这种更薄的衬底可降低热阻，从而提高冷却性能。

除了温度控制之外，qAttach技术还提高了可靠性，这对于汽车电子等行业的应用至关重要。

此外，qAttach层的专利设计减少了热膨胀不匹配——这是传统烧结技术中分层的重要原因。在热循环条件下，这种方法主要通过限制沿Z轴的膨胀来减少内部应力，从而保护电源封装。

CTE匹配实现热稳定性

裸片、封装和其他衬底之间的热膨胀系数(CTE)差异是高频GaN器件的难题之一。如果这些元件在加热过程中以不同的速率膨胀，它们就会发生翘曲，从而导致故障或性能降低。

新方法包括专门的CTE匹配技术：

• 采用定制互连合金来优化GaN、硅和其他衬底——如SiC或氮化铝(AlN)之间的热兼容性；
• 这些合金可实现高效的散热效果，同时避免了由于长期热膨胀不匹配所导致的翘曲风险。

因此，封装系统可在较宽的温度范围(25℃至125℃)内保持机械稳定性，同时即使在温度快速变化时也能确保持续的可靠性。

总结

Gwynne总结了与传统烧结方法相比，qAttach技术的三大优势：

1. 更低的压力——由于减少了裸片上的制造应力，降低了失效的风险，这对汽车应用中的可靠性至关重要；
2. 专有的几何结构——超薄qAttach层主要沿Z轴膨胀，有效防止分层现象，并通过缓解由热膨胀差异引起的应力，提升了器件的可靠性；
3. 更薄的衬底——无需施加较大的力，这不仅降低了热阻，还增强了热传导效率。

一些大公司已经对这一原创概念表示了兴趣。Gwynne声称，几家跨国公司正在考虑将qAttach纳入其产品系列的许可安排。该技术最初用于GaN晶体管，但对包括SiC在内的多种材料都有灵活性。这为下一代电力电子产品的普遍采用提供了途径，从而解决了许多大功率、高电压、高频率应用中的热管理问题。

现阶段，该团队正致力于优化此技术，并对其可靠性进行全面评估。“我们希望这项技术能够成功，以便将GaN应用到电机驱动器中。这基本上是我们必须解决的最后一项主要问题，以使整个技术实用化。”Gwynne说道。通过克服这些挑战，该团队希望使GaN技术能在电机驱动器中得到广泛采用，从而带来显著的节能和环保效益。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Revolutionizing Motor Drives with GaN Technology: The Need for a New Packaging System，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。