← 返回
电动汽车驱动 GaN器件 功率模块 ★ 5.0

垂直堆叠级联GaN HEMT功率模块中的热行为研究

Thermal Behavior in Vertically Stacked Cascode GaN HEMT Power Modules including Mutual Heating, Dissipation Disturbance, and Solder Voids

作者 Sungtaek Hwang · Eun Pyo Hong · Min-Ki Kim · Dong Keun Jang · Sang Won Yoon
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年9月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件 功率模块
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 垂直堆叠氮化镓功率器件 热问题 有限元分析 温度测量 热设计优化
语言:

中文摘要

与传统的横向配置相比,垂直堆叠式共源共栅氮化镓(GaN)功率器件具有显著的电气优势,包括降低寄生电感、设计紧凑以及功率密度高等。然而,将硅MOSFET直接堆叠在GaN HEMT上方会带来重大的热挑战。本研究确定了三个主要的热问题:芯片之间的相互加热、散热路径受限以及焊料空洞导致的热退化。有限元分析(FEA)模拟表明,由于这些影响,堆叠式设计的峰值温度比横向设计大约高30%。模拟还显示,焊料空洞,尤其是硅MOSFET下方的焊料空洞,会干扰垂直热流并加剧热点的形成。通过使用定制制造的模块在重复开关操作下进行热稳定实验验证了这些发现。测量结果不仅证实了峰值温度的趋势,还引入了每周期温度波动作为一种新的可靠性指标。存在空洞的模块表现出更高的峰值温度和更大的热不均匀性,与模拟结果高度吻合。模拟温度和测量温度之间的最大偏差小于1.5%,表明两者具有很强的一致性。这些结果强调了热感知设计、空洞控制和封装优化对于确保下一代垂直堆叠式共源共栅氮化镓功率模块长期可靠性的重要性。

English Abstract

Vertically stacked cascode gallium nitride (GaN) power devices provide strong electrical advantages, including reduced parasitic inductance, compact design, and high power density, compared to conventional lateral configurations. However, stacking a silicon MOSFET directly above a GaN HEMT introduces significant thermal challenges. This study identifies three major thermal issues: mutual heating between dies, restricted heat dissipation paths, and thermal degradation caused by solder voids. Finite element analysis (FEA) simulations show that the stacked design experiences approximately 30 percent higher peak temperatures than lateral counterparts due to these effects. Simulations also reveal that solder voids, especially those beneath the silicon MOSFET, disrupt vertical heat flow and intensify hot spot formation. Experimental validation using custom-fabricated modules under repeated switching operation for thermal stabilization confirms these findings. Measurements not only corroborate peak temperature trends but also introduce temperature swing per cycle as a new reliability metric. Modules with voids exhibited elevated peak temperatures and greater thermal nonuniformity, closely matching simulation results. The maximum deviation between simulated and measured temperatures was under 1.5 percent, indicating strong agreement. These results emphasize the importance of thermal aware design, void control, and packaging optimization to ensure long term reliability in next generation vertically stacked cascode GaN power modules.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文揭示的垂直堆叠共源共栅GaN功率模块技术对我们在光伏逆变器和储能系统领域的产品升级具有重要参考价值。垂直堆叠架构能够显著降低寄生电感、提升功率密度,这与我们追求高效率、小型化逆变器的产品路线高度契合,特别是在户用储能和工商业储能系统中,紧凑设计可直接转化为系统成本优势和安装灵活性。

然而,论文通过有限元仿真和实验验证揭示的三大热管理挑战——芯片间互热、散热路径受限以及焊料空洞导致的热退化,正是我们在大功率应用中必须审慎评估的关键风险点。研究显示堆叠设计的峰值温度比传统横向布局高约30%,这对我们的产品可靠性设计提出了更高要求。特别是焊料空洞问题,在大规模制造中难以完全避免,其对垂直热流的阻断效应会加剧热点形成,直接影响模块长期可靠性。

从应用前景看,GaN技术在高频开关特性上的优势能够帮助我们实现更高的逆变效率和更快的动态响应,这对提升光伏发电效率和储能系统的充放电性能至关重要。但该技术目前仍处于从实验室向工业化过渡阶段,论文强调的"热感知设计"和"封装优化"正是我们需要突破的工程化瓶颈。

建议我们的研发团队重点关注:一是建立精确的热仿真模型库,将焊料空洞等制造缺陷纳入设计余量;二是开发针对性的散热方案,如优化基板材料和散热路径;三是引入"单周期温度波动"等新型可靠性评估指标,建立更严格的质量控制体系,确保垂直堆叠GaN技术在我们的下一代产品中安全落地。