Тепловыделение — главный враг мощной силовой электроники. Чем выше плотность мощности устройства, тем острее стоит вопрос теплоотвода. Для GaN-транзисторов эта проблема особенно болезненна: материал обеспечивает выдающиеся электрические характеристики, но перегрев способен свести все преимущества на нет. Китайская компания Ziener Tech нашла путь к решению — через радикальное утончение сапфировой подложки.
Почему подложка определяет тепловые характеристики
GaN-устройства выпускаются на подложках нескольких типов: кремниевых, карбид-кремниевых и сапфировых. У каждого варианта свои компромиссы. Сапфир привлекателен высокой электрической изоляцией, термической стабильностью и хорошим кристаллографическим соответствием с GaN — это упрощает эпитаксиальные структуры и снижает дефектность.
Исторический недостаток сапфира — низкая теплопроводность. Тепло, выделяемое в активной области транзистора, с трудом проходит через толстую подложку к корпусу и теплоотводу. Решение напрашивается само: сделать подложку тоньше — сократить путь теплового потока.
Проблема в том, что контролируемое утончение хрупкой сапфировой пластины диаметром 200 мм до экстремально малых толщин — крайне сложная технологическая задача.
Что сделала Ziener Tech
Компания объявила об успешном утончении подложки 8-дюймовых GaN-на-сапфире пластин до 50 мкм. Измеренные тепловые характеристики при разных толщинах подложки:
- 200 мкм — тепловое сопротивление переход-корпус составило 1,6°C/Вт, что сопоставимо с GaN-на-кремнии;
- 100 мкм — показатель снизился до 1,1°C/Вт, уже лучше кремниевых аналогов;
- 50 мкм — тепловое сопротивление достигло 0,8°C/Вт, что примерно вдвое лучше сопоставимых GaN-на-кремнии устройств.
Практическая проверка проводилась на высокомощной схеме корректора коэффициента мощности типа totem-pole PFC. Сравнение устройств с подложками 100 мкм и 50 мкм показало:
- при входном напряжении 90 В температура корпуса у 50-мкм варианта ниже на 13,6°C;
- при 264 В разница достигает 14,5°C.
Во всех режимах нагрузки и напряжения GaN-на-сапфире устойчиво выигрывает у GaN-на-кремнии по температуре нагрева.
30 мкм уже готовы
Ziener Tech раскрыла ещё один показательный факт: техническая разработка для ультратонкой подложки 30 мкм уже завершена. Это означает, что достигнутый рубеж в 50 мкм — не предел, а промежуточная точка на пути дальнейшего улучшения тепловых характеристик.
Почему это важно для рынка силовой электроники
GaN-транзисторы уже сейчас превосходят кремниевые MOSFET по напряжению пробоя и надёжности в средне- и высоковольтных приложениях. До сих пор тепловые ограничения сдерживали их проникновение в высокомощные сегменты — промышленные преобразователи, зарядные станции для электромобилей, серверные блоки питания.
Утончение сапфировой подложки устраняет именно этот барьер. Устройство с тепловым сопротивлением 0,8°C/Вт при той же рассеиваемой мощности работает холоднее, дольше и надёжнее. Либо при той же температуре способно рассеивать большую мощность, открывая путь к более компактным и эффективным системам.
Отраслевые аналитики указывают: технологии подложек — это начальное звено, определяющее конкурентоспособность всей цепочки вниз по производству. Прогресс Ziener Tech в управлении тепловым сопротивлением расширяет применимость GaN-на-сапфире туда, где раньше безальтернативно доминировали кремниевые или карбид-кремниевые решения.
Как скоро технология выйдет в серийное производство и составит ли GaN-на-сапфире реальную конкуренцию GaN-на-SiC в высокомощных приложениях? Покажет время.