由電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)會(huì)會(huì)議 2025 IEEE International Conference on Electrical Energy Conversion Systems and Control（IEECSC)發(fā)布了一篇名為 Thermal Analysis of Gallium Oxide Devices Under Various Package Structures（不同封裝結(jié)構(gòu)下鎵氧化物器件的熱分析）的文章。

1. 背景

氧化鎵（Ga₂O₃）是制造下一代大功率器件的理想材料，但其最大的瓶頸是極低的熱導(dǎo)率。這種低熱導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致器件在大功率工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，使得器件結(jié)溫（junction temperature）急劇升高，從而限制其性能輸出、降低可靠性并可能導(dǎo)致熱失效，在封裝層面進(jìn)行高效的熱管理，是氧化鎵器件在高壓大功率場(chǎng)景應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，對(duì)比不同封裝結(jié)構(gòu)下氧化鎵器件的散熱效果，可為高壓大功率氧化鎵器件封裝提供參考。

2. 主要內(nèi)容

氧化鎵（Ga₂O₃）器件具有高擊穿電壓、低功耗和經(jīng)濟(jì)制造等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其較低的熱導(dǎo)率嚴(yán)重限制了其性能。高效的散熱封裝是鎵氧化物器件應(yīng)用的關(guān)鍵。本文建立了采用壓接封裝、焊接封裝和 TO 封裝的 Ga₂O₃ 模塊有限元（FE）模型，模擬了穩(wěn)態(tài)額定工況和瞬態(tài)浪涌工況下的熱分布，并開(kāi)展對(duì)比分析。首先，提出了采用壓接封裝、焊接封裝和 TO-247 封裝的 700 V/10 A Ga₂O₃ 二極管模塊 FE 模型。其次，分別對(duì)穩(wěn)態(tài)額定工況和瞬態(tài)浪涌工況開(kāi)展模擬，并進(jìn)行熱分析。最后，基于模擬結(jié)果，對(duì)高功率 Ga₂O₃ 器件封裝的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和討論。在三種封裝中，壓接封裝在額定工作條件下對(duì)芯片的熱管理、在浪涌工況下芯片溫升抑制方面均表現(xiàn)最佳。

3. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 通過(guò)有限元模擬，對(duì)多種封裝技術(shù)在 Ga₂O₃ 器件熱管理效果，進(jìn)行了系統(tǒng)性、定量對(duì)比分析； 

● 清晰揭示了壓接、焊接、TO-247 三種封裝結(jié)構(gòu)對(duì)氧化鎵芯片熱管理效果；

● 在穩(wěn)態(tài)額定與瞬態(tài)浪涌工況中，壓接封裝結(jié)構(gòu)對(duì)氧化鎵熱管理效果均最優(yōu)；

● 該研究為未來(lái)大功率 Ga₂O₃ 器件的熱設(shè)計(jì)和封裝方案選擇提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

4. 結(jié)論

在本研究中，提出了采用壓裝、焊接和 TO-247 封裝的 Ga₂O₃ 模塊有限元（FE）模型。模擬了穩(wěn)態(tài)額定工況和瞬態(tài)浪涌工況，獲取溫度分布并開(kāi)展對(duì)比，得出主要結(jié)論如下： 

1) 在穩(wěn)態(tài)額定運(yùn)行條件下，與焊接和 TO-247 封裝相比，壓裝模塊中芯片平均溫度（T_ave）分別降低了31.8% 和 29.8%，最高溫度（T_max）分別降低了25.3%和22.8%，展現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。

2) 在 10ms 瞬態(tài)浪涌條件下，與焊接和 TO-247 封裝相比，壓接封裝模塊中芯片的平均溫度（T_ave）分別降低了18.9% 和 9.7%，而最高溫度（T_max）僅分別降低了12.4% 和 2.1%。這一現(xiàn)象可能歸因于芯片邊緣區(qū)域散熱性能不足。

圖1. 壓接式 Ga₂O₃ 模塊的結(jié)構(gòu)。

圖 2. 網(wǎng)格劃分后的壓接組件有限元模型。

DOI：

doi.org/10.1109/IEECSC64206.2025.11099800

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)