指导视频：了解 GaN 器件热分析

您的工作是否涉及有源/无源微电子电路和设计？如果涉及，您可能非常了解高温会对这些器件产生哪些不利影响。高工作温度会导致性能下降，服务寿命缩短。因此，工程师应始终考虑热因素的影响，以消除器件设计中的潜在问题。

在人们眼中，氮化镓 (GaN) 仍然是一种相对较新的半导体技术。因为性能出色，它被越来越多地用于以前主要采用传统技术的市场领域。GaN 超越现有技术的一个领域是热管理。简而言之，GaN 比其他半导体技术“更能散热”。

这篇博客文章和视频名为“了解 GaN 热分析”，就如何采用 GaN 实现合理的热设计提供一些实用技巧。

如何确定 GaN 的可靠性

对于半导体的可靠性，部分是通过估算器件的最高信道温度 (TCH,MAX)，进而估算器件的生命周期来确定的。这些数值是通过测量热阻、功耗和热传递，并据此建模来获取的。
 

Understanding GaN Thermal Analysis Video

您将会了解：

  • GaN 的可靠性和热阻
    • 计算器件的功耗
  • 估算器件的信道温度和使用寿命

 

红外 (IR) 显微镜使用广泛，通过寻找半导体器件中的热点来确定故障位置。但是，空间分辨率限制、反射面成像困难和芯片的表面结构（空气桥）限制了红外成像在测量 GaN 信道温度时的作用。此外，即使通过红外测试获得了完全准确的数值，但实际的最高信道温度实际上是器件栅级下方某个位置的值。

尽管使用红外技术存在局限性，它仍然是测量器件温度的常用技术。Qorvo 除了红外成像外，还采取了几个额外的步骤来准确确定 GaN TCH,MAX。我们将 3D 热模型（也称为有限元分析 (FEA)）技术与显微拉曼热成像技术结合起来使用，然后将得出的结果与 RF 测试和红外成像结果比较。采用这个组合数据集，我们为封装器件开发了一个 FEA 模型，以提供准确的 TCH,MAX 值。
 

IR Imaging vs Micro-Raman Thermography

确定器件的最大 TCH 和 FEA 可靠性估值的两个主要步骤

(1) 找到器件的红外表面 TCH

  • 首先，必须确定器件的基本温度。
  • 无论该器件是裸片形式或封装形式，基本温度的测量方式都相同，一般是使用热电偶测量。

    Where to Measure Device Temperature for Package (L) or Die (R)
  • 一旦基本温度确定，下一步就是计算功耗。
  • 使用 Qorvo 的在线 PAE/Pdiss/Tj 计算器，帮助确定您的器件功耗。
  • 您也可以使用这个计算器来确定最高信道温度。
    View of Qorvo's PAE/Pdiss/Tj Online Calculator

 

(2) 确定 FEA 器件的平均无故障时间

  • 如之前所述，GaN 器件的实际最大 TCH 通常是器件栅级下方表面下的温度，具体请参见 GaN 器件信道温度、热阻和可靠性估值。
  • 在已知红外表面温度值的情况下，您可以使用 FEA 模型温度估值与红外估值图表（如下所示）来确定 FEA 模型的 TCH 和 GaN 器件生命周期估值。
  • 然后使用 FEA 模型的 TCH 值和 Qorvo GaN 器件的可靠性图表来确定生命周期预测。

 

Temperature Estimates Graph (L) and Device Reliability Graph (R)

我们建议您观看视频教程短片“了解 GaN 热分析”，查看应用笔记 GaN 器件信道温度、热阻和可靠性估值，以便更详细地了解这个主题。