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.
 |
|
| 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.
 |
|
| 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.
 |
|
| Рис. 3. | Технология Island Technology® предполагает выращивание изолированных островков. |
 |
|
| 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).
 |
|
| 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.
 |
|
| 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).
 |
|
| 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.
 |
|
| 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).
 |
|
| 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).
 |
|
| 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 позволяют 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.
 |
|
| 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).
 |
|
| 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).
 |
|
| 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.
GS66504B – 650 В – транзистор с максимальным током до 15 A, сопротивлением 100 мОм и нижним расположением теплоотвода.
GS66506T – 650 В – транзистор с максимальным током до 22.5 A, сопротивлением 67 мОм и верхним расположением теплоотвода.
GS66508B – 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.
GS61008P – 100 В – транзистор с максимальным током до 90 A, сопротивлением 7 мОм и нижним расположением теплоотвода.
GS61008T – 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 × 4.5 мм.
Посмотреть более подробно технические характеристики GaN-транзисторов от компании GAN Systems
