Силовые транзисторы GaN Systems. Решения и технологии

| GaN Systems

В июле компания GaN Systems объявила о многомиллионной поддержке со стороны венчурного фонда BMW i Ventures, который является инвестиционным подразделением известного автопроизводителя. Наверняка такой интерес баварских машиностроителей продиктован высоким потенциалом GaN-технологий на рынке электромобилей. Хотя GaN Systems далеко не единственная фирма, работающая в данной области, тем не менее, ее отличает наличие готовых решений и технологий. Ранее на портале Унитера уже публиковалась обзорная статья по силовым нитрид-галлиевым транзисторам от GaN Systems. На этот раз мы постараемся более подробно рассмотреть технологии, предлагаемые компанией.

GaN Systems обладает уникальными технологиями производства GaN-транзисторов

Рис. 1. GaN Systems обладает уникальными технологиями производства GaN-транзисторов

На портале Унитера неоднократно появлялись публикации, посвященные силовым ключам на основе нитрида галлия. Реализовать преимущества этого материала производители смогли относительно недавно и сейчас GaN-технологии переживают настоящую революцию. Результаты этого уже видны в самых разных приложениях: беспроводных радиопередающих системах, в источниках питания в силовых преобразовательных устройствах и т. д. Огромный интерес нитрид-галлиевые транзисторы представляют для электромобилей.

Так как аккумуляторы в электротранспорте имеют ограниченную емкость, то разработчикам приходится бережно экономить каждый Ватт мощности. Для дальнейшего развития необходимо совершенствовать используемые ключевые элементы: снижать сопротивление открытого канала, увеличивать быстродействие, минимизировать паразитные параметры. К сожалению, кремниевые силовые транзисторы практически достигли пика «совершенства» и уже не всегда справляются с возрастающими требованиями. Совсем иначе дело обстоит с транзисторами на основе нитрида галлия, потенциал которых далеко не исчерпан. Скорее всего, именно этот факт побудил BMW i Ventures оказать поддержку GaN Systems. Что же на данный момент может предложить GaN Systems? Ответ прост – готовые решения:

  • Island Technology® – островковая технология производства кристаллов GaN на подложке из кремния;
  • GaNPX™ – технология упаковки кристаллов в корпус с минимальной индуктивностью выводов и максимальной теплоотдачей;
  • Развитая номенклатура GaN-транзисторов двух семейств: 650 В с токовой нагрузкой до 60 А и 100 В с токовой нагрузкой до 90 А.

Рассмотрим каждый из этих пунктов отдельно.

Использование нитрида галлия для производства силовых ключей дает целый ряд преимуществ (рис. 2): минимальное собственное сопротивление и, как следствие, большая предельная плотность тока; повышенная электрическая прочность; высокая теплопроводность; широкий диапазон рабочих температур; отличные частотные характеристики; минимальный уровень шумов.

Преимущества использования нитрида галлия

Рис. 2. Преимущества использования нитрида галлия

Преимущества GaN долгое время не удавалось реализовать из-за различных технологических проблем. Одна из них заключалась в сложности согласования температурных коэффициентов кремния и нитрида галлия. В результате в качестве подложки приходилось использовать SiC, что удорожало стоимость транзисторов. GaN Systems разработала островковую технологию Island Technology®, которая позволяет применять подложку из кремния.

В транзисторах, создаваемых с помощью Island Technology®, на подложке из кремния формируются изолированные островки (рис. 3), которые в дальнейшем подключаются к мощным общим шинным электродам (рис. 4). Данные электроды дополнительно усиливаются параллельными слоями металлизации при сборке корпуса транзистора.

Технология Island Technology® предполагает выращивание изолированных островков

Рис. 3. Технология Island Technology® предполагает выращивание изолированных островков

Независимые островковые элементы объединяются

Рис. 4. Независимые островковые элементы объединяются

Полученный таким образом кристалл имеет ряд преимуществ:

  • равномерное распределение температуры при протекании тока;
  • высокая стойкость к пробою из-за физической изолированности элементов;
  • невысокая стоимость.

После того как кристалл изготовлен, его необходимо упаковать в корпус. Это весьма ответственное мероприятие. Именно технология упаковки GaNPX™ позволяет транзисторам от GaN Systems сохранять преимущества, которые дает использование GaN.

Рассмотрим процесс упаковки GaNPX™ поэтапно. На первом этапе на металлическом основании формируется термоинтерфейс (рис. 5).

 Первый этап упаковки. Формирование термоинтерфейса на медном основании

Рис. 5. Первый этап упаковки. Формирование термоинтерфейса на медном основании

На втором этапе на подложку устанавливается кристалл транзистора (рис. 6). В такой конструкции кристалл будет отдавать тепло всей поверхностью, а медное основание выступать в качестве отличного теплоотвода. Это гарантирует не только минимальное тепловое сопротивление, но и равномерный разогрев кристалла, что очень важно для любого транзистора.

Второй этап упаковки. Размещение кристалла транзистора

Рис. 6. Второй этап упаковки. Размещение кристалла транзистора

Чтобы изолировать и защитить кристалл от внешних воздействий, на третьем этапе упаковки его помещают в рамку, собранную из листов стеклотекстолита с вырезом в форме кристалла (рис. 7).

Третий этап упаковки. Укладка изоляционных пластин стеклотекстолита

Рис. 7. Третий этап упаковки. Укладка изоляционных пластин стеклотекстолита

Последний лист стеклотекстолита не имеет выреза и закрывает кристалл транзистора. На следующем этапе на поверхности этого листа выращивается слой металлизации. После этого происходит селективное травление верхнего и нижнего медного основания (рис. 8). Форма полученных дорожек соответствует расположению выводов на кристалле.

Четвертый этап упаковки. Формирование электродов

Рис. 8. Четвертый этап упаковки. Формирование электродов

Далее с помощью лазера в полученной пакетной конструкции вырезаются переходные отверстия от верхнего слоя металлизации к кристаллу и между верхним и нижним слоями металлизации (рис. 9).

Пятый этап упаковки. Формирование переходных отверстий, связывающих электроды и кристалл

Рис. 9. Пятый этап упаковки. Формирование переходных отверстий, связывающих электроды и кристалл

На следующем этапе происходит металлизация переходных отверстий (рис. 10). При этом кристалл оказывается электрически связанным с внешними выводами. Это ключевой момент данной технологии. Если в традиционных микросхемах кристалл подключается с помощью сварки микропроводками, то в GaNPX™ они не используются. За счет этого удается добиться минимальной индуктивности.

На заключительном этапе выполняется покрытие изолирующей маской и маркировка микросхемы (рис. 10).

Шестой и седьмой этапы упаковки. Металлизация, покрытие маской и маркировка

Рис. 10. Шестой и седьмой этапы упаковки. Металлизация, покрытие маской и маркировка

Сейчас GaN Systems выпускает версии транзисторов с верхним и нижним расположением площадки теплоотвода. Если предполагается отвод тепла через печатную плату, следует использовать вариант с нижним расположением теплоотвода. Если же речь идет о мощном приложении с внешним радиатором, то следует использовать транзистор с верхним расположением теплоотвода.

Конечно, такое описание не дает полного представления о технологии GaNPX™, однако позволяет судить о ее преимуществах (рис. 11):

  • Минимальная собственная индуктивность за счет отказа от микропродников для подключения кристалла;
  • Высокая плотность тока за счет использования островковой технологии;
  • Минимальное тепловое сопротивление и отличное качество отвода тепла позволяет в ряде случаев отказываться от дополнительных внешних радиаторов;
  • Отказ от внешних радиаторов сокращает габариты, снижает массу и стоимость конечных устройств;
  • Минимальная толщина менее 1 мм – идеальное решение для современных низкопрофильных устройств.

Преимущества технологии упаковки GaNPX™

Рис. 11. Преимущества технологии упаковки GaNPX™

Важно отметить, что компания GaN Systems давно перешла от теоретических исследований к серийному производству. Это третье важное преимущество данного производителя (рис. 12).

Внешний вид низкопрофильных GaN-транзисторов от GaN Systems

Рис. 12. Внешний вид низкопрофильных GaN-транзисторов от GaN Systems

В настоящее время номенклатура GaN-транзисторов от GaN Systems состоит из двух семейств 650 В и 100 В, объединяющих более десятка представителей (рис. 13).

Номенклатура GaN-транзисторов от GaN Systems

Рис. 13. Номенклатура GaN-транзисторов от GaN Systems

GS66502B – 650 В – транзистор с максимальным током до 7,5 A, сопротивлением 200 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS66504– 650 В – транзистор с максимальным током до 15 A, сопротивлением 100 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS66506– 650 В – транзистор с максимальным током до 22,5 A, сопротивлением 67 мОм и верхним расположением теплоотвода.

GS66508– 650 В – транзистор с максимальным током до 30 A, сопротивлением 50 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS66508P – аналог GS66508B, но с увеличенным размером корпуса.

GS66508T – аналог GS66508B, но с верхним расположением теплоотвода.

GS66516B – 650 В – транзистор с максимальным током до 60 A, сопротивлением 25 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS66516T – аналог GS66516B, но с верхним расположением теплоотвода.

GS61004B – 100 В – транзистор с максимальным током до 45 A, сопротивлением 15 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS61008– 100 В – транзистор с максимальным током до 90 A, сопротивлением 7 мОм и нижним расположением теплоотвода.

GS61008– аналог GS61008P, но с верхним расположением теплоотвода.

Кроме силовых ключей компания GaN Systems предлагает широкий выбор оценочных плат. Об одной из них GS66508T-EVBHB уже было рассказано одной из статей на портале Унитера.

GS66508T-EVBHB представляет собой печатную плату с полумостовой схемой на базе двух транзисторов GS66508T(650 В, 30 А, 55 мОм). Кроме транзисторов на плате расположены драйверы управления затворами, схема формирования «мертвого» времени, стабилизаторы напряжения, пассивные компоненты, разъемы и радиатор.

Характеристики GaN-транзистора GS66508T:

  • Рейтинг напряжения: 650 В;
  • Типовое сопротивление открытого канала: 50 мОм;
  • Максимальное сопротивление открытого канала: 63 мОм;
  • Максимальный ток стока: 30 А;
  • Допустимый диапазон напряжения затвор-исток: 0…6 В;
  • Устойчивость затвора к импульсным перенапряжениям: -20…+10 В;
  • Рабочая частота: более 100 МГц;
  • Расположение теплоотводящей площадки: сверху;
  • Корпус: GaNPX™ 6,9 x 4,5 мм.
Производитель: GaN Systems
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GS66508P-E03-TY
GS66508P-E03-TY
GaN Systems
Арт.: 1895271 ИНФО PDF
Поиск
предложений
GaN транзистор на напряжение 650V в корпусе с низкой индуктивностью.N-Канал. Vds: 650 V Vgs: 10 V Id : 30 A Rds On : 52 mOhms Qg: 6.5 nC Ciss : 180 pF
GS66508P-E03-TY от 6093,42
-
Поиск
предложений
GS66508T-EVBHB
GS66508T-EVBHB
GaN Systems
Арт.: 2090043 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Характеристики отладочной платы GS66508T-EVBHB: • базовая схема: полумост; • тип транзисторов: GS66508T 650 В; • возможные схемы включения: полумост, повышающий DC/DC преобразователь, понижающий DC/DC преобразователь; • напряжение питания: 9…12 В; • выходной ток: до 30 А; • достижимый КПД: >98,5 % при выходной мощности 1…2 кВт (понижающий преобразователь).
GS66508T-EVBHB от 44278,88
-
Поиск
предложений
GS66508T-E02-TY
GS66508T-E02-TY
GaN Systems
Арт.: 2090044 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Характеристики GaN-транзистора GS66508T: • Рейтинг напряжения: 650 В; • Типовое сопротивление открытого канала: 50 мОм; • Максимальное сопротивление открытого канала: 63 мОм; • Максимальный токе стока: 30А; • Допустимый диапазон напряжения затвор-исток: 0…6 В; • Устойчивость затвора к импульсным перенапряжениям: -20…+10 В; • Рабочая частота: более 100 МГц; • Расположение теплоотводящей площадки: сверху; • Корпус: GaNPX™ 6,9 x 4,5 мм.Ограничение ввоза
GS66508T-E02-TY от 4739,33
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()