原标题：GaN 功率级设计的散热注意事项

GaN（氮化镓）功率级设计在散热方面需要特别注意以下几点：

一、GaN器件特性与散热需求

• 高频与高效：GaN FET（场效应晶体管）具有高频、高效的开关特性，以及零反向恢复损耗，这使得它们适用于高功率密度、小尺寸的设计。

• 散热重要性：为了充分利用GaN的快速开关速度，需要最大限度地减小电源环路电感，这要求精细的PCB（印刷电路板）布局和低电感的封装。同时，由于GaN器件在高频高效工作时会产生大量热量，良好的散热设计至关重要。

二、PCB布局与散热设计

• 低电感封装：采用低电感封装，如TI（德州仪器）的LMG341XRxxx系列，其8mm×8mm低电感底面冷却的QFN封装可实现开关速度高于100V/ns。

• 散热焊盘：GaN器件底部的散热焊盘应焊接在电路板上，以有效将热量从结传递到PCB上。结至外壳的典型热阻为0.5°C/W。

• PCB层叠与散热过孔：

• 层叠结构：建议使用4层电路板，以便从相邻层返回电源环路，从而减小电源环路电感。

• 散热过孔：FR-4是一种导热性能较差的材料，可通过电镀散热过孔提高其导热性。散热过孔直径通常为8mil至12mil，应置于GaN封装的散热焊盘下方。每个GaN器件可配置数十个散热过孔，以提高散热效率。

• 铜层厚度：顶部铜层充当均热片，随着铜层面积的增加，垂直方向的有效热阻会降低。建议每层的铜用量至少为2oz（盎司，约70微米厚）。底部铜层与热界面材料（TIM）接触，必须包含足够的铜厚度以进行散热。

三、热界面材料（TIM）的选择

• 粘合剂：不需要恒定的压力，但热导率较低。

• 导热垫：通常具有良好的导热能力，但在接触界面处（PCB至TIM和散热器至TIM）具有较高热阻。安装时需要保持压力恒定。

• 相变材料：导热性介于粘合剂和导热垫之间，能将接触界面弄湿，提供稳定性能。不需要较大的压力，因为其热阻不会随压力的变化而显著变化。

• 间隙填充材料：具有超高的导热性，但厚度较大。受压可压缩高达50%，显著降低热阻。然而，过大的压力可能导致电路板翘曲和机械故障。

四、散热器的选择与安装

• 散热器类型：根据功率级别和应用需求选择合适的散热器类型，如翅片散热器、液冷散热器等。

• 安装方法：散热器应牢固地安装在PCB上，避免产生过大的机械应力。对于某些应用，可以采用直接焊接散热器的方式，但需要对铝散热器底板进行电镀处理。

• 散热性能：散热器的散热性能直接影响GaN功率级的整体性能。在选择散热器时，应考虑其热阻、尺寸、重量和成本等因素。

五、其他注意事项

• 温度监控：在GaN功率级设计中，应加入温度监控功能，以实时了解器件的工作温度，防止因过热而导致的性能下降或损坏。

• 热仿真：在设计阶段，可以利用热仿真软件对GaN功率级的散热性能进行模拟和优化，以提前发现潜在的热问题。

• 环境适应性：考虑GaN功率级在不同环境条件下的散热性能，如高温、低温、潮湿等。

六、总结

GaN功率级设计的散热是一个复杂而关键的问题。通过合理的PCB布局、选择合适的热界面材料和散热器、以及加入温度监控功能等措施，可以有效地降低GaN器件的工作温度，提高其可靠性和性能。在设计过程中，应充分考虑各种因素的综合影响，以实现最佳的散热效果。