国产氮化镓芯片动态：合封驱动、封装工艺升级双面散热

电子发烧友网报道（文/李诚）自Type-C 2.1与PD 3.1新的标准协议发布之后，氮化镓再次被推上风口。氮化镓以低损耗、高效率、高功率密度的自身优势，迅速占领快充市场。随着硅基氮化镓成本的下降，氮化镓材料或将发展成为快充行业的主流。国产内的氮化镓厂商也陆续推出了多款氮化镓产品，并在芯片的功率、驱动、封装方面均有不小的突破。
 
封装工艺升级、双面散热的650V GaN FET
 
据介绍，氮矽科技现已发布多款基于氮化镓的产品，同时还推出了多个可直接量产的氮化镓快充解决方案。
 

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据氮矽科技销售总监伍陆军介绍，氮矽科技目前已推出一款面积超小的650V氮化镓功率器件DX6510D。该器件的封装规格为PDDFN 4*4mm，面积仅为16mm²，与DFN5*6封装的产品相比面积减少了一半，进一步减小了充电器的体积，同时还对芯片的封装工艺进行了升级。
 

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在通常情况下芯片面积减小，芯片的散热性能也会减弱。氮矽科技为解决DX6510D的散热问题，这枚芯片采用了Chip Face Down封装工艺，和RDL取代传统打线工艺，以及双面散热的设计，提高芯片的散热能力，降低热量对系统效率的影响，保证系统长时间运行的稳定性。
 
Chip Face Down封装工艺是为了让电流沟道更接近PCB板面，加速芯片底部散热，并通过RDL工艺重布线的方式加快芯片内部散热。RDL工艺的应用还大幅降低了芯片的寄生电感和电阻等寄生参数，减小寄生参数对于氮化镓来说是非常重要的。因为氮化镓栅极的阈值很低，对工作电压的精度要求很高，如果寄生电感或寄生电阻太大，会导致氮化镓MOS管存在误开启、关断的现象，甚至是在正常工作中出现跳压，随着时间的累积，电压慢慢提高，这不仅会严重影响氮化镓MOS管的使用寿命，还可能会因电压升高而导致氮化镓MOS管炸断。
 
同时为提高小面积芯片的散热能力，氮矽科技还在芯片的顶部添置了散热模块，增大了散热面积，氮化镓MOS管内部的热量可由顶部的散热模块进行释放。与传统增大PCB增大敷铜面积的方式相比，氮矽科技通过自研板级封装与双面散热结合的方式的散热效果更好。
 

图源：氮矽科技

 
上图为氮矽科技采用双面散热的PDDF4*4封装芯片与TO252传统封装芯片进行的温升实验，通过上图可看出两者的温度变化差距不大，但从面积上来看，PDDF4*4封装芯片的面积仅为TO252封装的1/4。据氮矽科技介绍，即使芯片的面积减小了3/4，DX6510D的功率因数与系统效率也不会因此受到影响。
 
合封驱动的氮化镓芯片
 
氮化镓之所以在电源领域被广泛应用，是因为氮化镓的开关频率更高，与硅基产品相比，在同等输出功率下，基于氮化镓的电路更为精简、元器件使用数量更少、设备体积更小，功率密度更高。
 
合封氮化镓芯片是通过内部走线的方式，将氮化镓功率芯片与驱动器、控制器或其它控制芯片连接起来，在很大程度上缩短了导线的长度，大大地降低了寄生参数的值，尤其是寄生电感。寄生电感对氮化镓功率芯片的影响很大，当氮化镓功率芯片工作在高频状态下时，会增加系统的开关损耗、提高幅值、降低系统效率，同时还会增加开发工程师的调试难度。通过将多种控制器、驱动器合封起来的方式恰好能解决这一问题，因此将氮化镓驱动合封在功率器件中具有重大意义，并且已成为电源领域的主要发展趋势。
 
据官网显示，东科半导体目前已将开发出多款合封氮化镓驱动器、逻辑控制器的氮化镓合封芯片，这些芯片多采用QR的电源架构，工作频率均在200kHz左右。据介绍，现阶段有一款65W采用有源钳位反激式电源架构的合封芯片目前已进入调试阶段，该芯片的最高工作频率达500kHz，应用于电源系统中能够明显的降低开关损耗并提高系统效率。
 
DK051QF是东科半导体的一款合封氮化镓芯片，该芯片采用的是QR的电源架构 ，设计输出功率为65W，工作最高频率可达200kHz，芯片合封了逻辑控制器，驱动器和高压启动管。在电路调试方面，由于该芯片采用的是多种控制器合封的方式，寄生参数影响较少。同时还采用了较为简单的QR电路拓扑，减少了元器件的使用数量，并将系统电路简化到了最低，大幅的降低了系统的调试难度，缩短了产品的开发周期。
 

SC3050 Demo 图源：南芯半导体
 

同时，南芯半导体也推出合封了氮化镓驱动与控制器的氮化镓功率芯片SC3050。这款芯片采用了独特的EPAD设计，优化了在大电流工作状态下的电气特性，并得到了很好的热体验。通过合封的方式，将控制器与氮化镓功率器件结合，充分地发挥了低寄生参数下，氮化镓低开关损耗、高功率密度的性能。
 

不同工作状态下的效率变化曲线 图源：南芯半导体

 
上图为SC3050在满载情况下不同的工作状态的变化曲线。该芯片在QR模式下，开关频率为170kHz。当工作电压在100V~220V时，系统的转换效率都能稳定在93%以上。当系统处于空载状态或轻载状态时，芯片会自动切换到突发模式，以降低系统功耗。据南芯半导体介绍，该方案现已被广泛应用于高能效、小体积的快充解决方案中。
 
结语
 
随着制造工艺的升级，目前市场上的氮化镓产品现已向着小型化、高度集成化发展。氮矽科技的双面散热技术在产品面积缩小的情况下，还保证了产品的工作性能，与相同面积的芯片相比，工作温度更低，该技术的应用将会推动快充充电器向更高功率密度方向的发展。