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GaN First Time Right™ 設計プロセス
熱管理

熱特性 熱の概念 熱の概念 TIM 熱シミュレーション GaNのエキスパートに聞く

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回路図とレイアウト

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熱管理

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アセンブリ

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熱特性

熱抵抗は、ディスクリート・パワー・デバイスの能力を決める主要な要素です。デバイスの熱特性から、ユーザーのアプリケーションに対する最大消費電力と最大電流の両方を導き出すことができます。eGaN FETの熱抵抗測定のテスト方法と結果は、アプリケーション・ノートのEPCのeGaN FETの熱特性に記載されています。

熱の概念

シンプルな熱管理ガイドラインによるシンプルで費用対効果の高い熱管理方策によって、GaN FETからの熱伝導性が向上し、熱特性が最適化されます。基板側冷却方策と裏面冷却方策の影響は、How2AppNote012:ヒートシンク付き高電力密度eGaNベース・コンバータの出力電力を一段と高める方法で分析されています。概要を以下に示します。

Thermal Concepts Summary

ヒートシンクの設計

EPCのGaN FETは、両面冷却を利用して、高電力密度設計での放熱能力を最大化できることに留意することが重要です。これについては、How2AppNote012:ヒートシンク付き高電力密度eGaNベース・コンバータの出力電力を一段と高める方法で詳しく説明されています。

Example of GaN heatsink assembly
ネジを使ったヒートシンク・アセンブリの分解図
Example of GaN heatsink assembly
両面サーマル・ソリューションの断面図

TIM

Thermal interface materials (TIM) are a critical part of the cooling system when using top sided cooling. Since GaN devices are very small, effective cooling relies on the heat-spreading effect of the heatsink, however, the TIM layer does not benefit from this. Because of its small area, the TIM layer ends up being a significant contributor to the overall Rth,J-A, and therefore the use of high thermal conductivity materials is very beneficial. The TIM layer also has a very important second role: to electrically isolate the GaN devices from the heatsink since the top of EPC GaN FETs are connected to source potential.

EPC has gathered some information on TIM materials to help designer in their search:

TIM Pads

Manufacturer Model Type Conductivity
(W/m.K)
Properties and Applications
T-Global Technology • TG A1780, A1660, A1450, A1250, A6200 … Thermal Pad • 17.8, 16.5, 14.5, 12.6, 6.2, High compressibility and compliance
Applications: Electric Vehicles, 5G, Autopilot System, …

Reliability testing Thermal Aging 125°C 1000hrs
Reliability testing Thermal HAST* 85°C-85%RH 1000hrs
Reliability testing Thermal cycling -40°C to 120°C for 500 cycles

LiPoly • T-WORK9000
• T-WORK8000
• T-WORK7000
Gap filler pad • 20
• 15
• 13
High compression rate, extremely low thermal impedance

Reliability testing Thermal Aging 70, 150°C, low temperature at -60°C
Reliability testing Thermal HAST* 60°C-90%RH up to 1000hrs
Reliability testing Thermal cycling -40°C to 125°C up to 500 cycles

Bergquist • TGP12000ULM
• TGP10000ULM
• TGP7000ULM
Gap filler pad • 12
• 10
• 7
High-compliance, low compression stress Ultra low modulus
Online application note on automotive
Parker Chomerics • THERM-A-GAP 976
• THERM-A-GAP 974
Gap filler pad • 6.5
• 6
Automotive Electronics (ECUs)
Automotive electronic control units
Wakefield-Vette • ulTIMiFluxTM Thermal Pad • 15, 12, 10, 8, 6, 5, 3 Ultra soft, naturally tacky.
Applications: Semiconductor heat sink, Thermal imaging equipment,
Military electronic products,  Vehicle navigation equipment,
Communication & power equipment
AITechnologies • Cool-GAPFILL® Gap filler pad • >8 Online application note on automotive

*highly accelerated temperature and humidity stress test (HAST)

TIM compound and greases

Manufacturer Model Type Conductivity (W/m.K) Properties and Applications
Bergquist • LIQUIFORM TLF 6000HG 1
• LIQUIFORM TLF 6000HG 1
Pre-cured Gel (dispensable) • 6
• 3.8
Excellent chemical stability and mechanical stability
LiPoly SH-PUTTY3-100 Silicone Grease (dispensable) • 8 For high compression and low stress applications
T-Global • TG-PP10
• TG-N909
• TG-NSP80
Thermal Putty
Thermal Putty (dispensable)
• 10
• 9
• 8.3
Listed Applications: ECUs, Power modules
Parker Chomerics • THERM-A-GAP Gel 75
• THERM-A-GAP TC50
Silicone Gel (dispensable) • 7.5
• 5
Automotive electronic control units (ECUs), power supplies and semiconductors, power modules
Laird Technologies - Thermal Materials • Tputty™ 607 Single-part Gap Filler (dispensable) • 6.4 Thermal cycling stability, low outgassing
Jones • 21-390 Thermal Gel • 9 Applications: Memory modules, Home and small office network equipment,  Mass storage devices, Automotive electronics…
AITechnologies • COOL-Grease®
• COOL-SILVERTM (non-conductive in bulk)
Electrically insulating TIM grease • 10 (diamond filled)
• >12
https://www.aitechnology.com/products/automotive-adhesives-and-tims/

熱シミュレーション

GaN FETのサーマル・カリキュレータを使うと、熱設計をさらに最適化できます。このGaN FETのサーマル・カリキュレータを使うと、損失を決定した後、熱ソリューションを最適化できます。

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GaN FETのサーマル・カリキュレータ

その他の資料

  • How2AppNote012:ヒートシンク付き高電力密度eGaNベース・コンバータの出力電力を一段と高める方法
  • チップスケール・デバイスの熱管理
  • チップスケール・パッケージ封止窒化ガリウム・トランジスタの熱特性の改善
  • ウエビナ:GaN FETの熱管理

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