【会员论文】电子科技大学罗小蓉教授团队:不同封装结构下氧化镓器件的热分析

        由电子科技大学的研究团队在学会会议 2025 IEEE International Conference on Electrical Energy Conversion Systems and Control（IEECSC)发布了一篇名为 Thermal Analysis of Gallium Oxide Devices Under Various Package Structures（不同封装结构下镓氧化物器件的热分析）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）是制造下一代大功率器件的理想材料，但其最大的瓶颈是极低的热导率。这种低热导率会导致器件在大功率工作时产生严重的自热效应，使得器件结温（junction temperature）急剧升高，从而限制其性能输出、降低可靠性并可能导致热失效，在封装层面进行高效的热管理，是氧化镓器件在高压大功率场景应用的关键。因此，对比不同封装结构下氧化镓器件的散热效果，可为高压大功率氧化镓器件封装提供参考。

        氧化镓（Ga₂O₃）器件具有高击穿电压、低功耗和经济制造等独特优势，但其较低的热导率严重限制了其性能。高效的散热封装是镓氧化物器件应用的关键。本文建立了采用压接封装、焊接封装和 TO 封装的 Ga₂O₃ 模块有限元（FE）模型，模拟了稳态额定工况和瞬态浪涌工况下的热分布，并开展对比分析。首先，提出了采用压接封装、焊接封装和 TO-247 封装的 700 V/10 A Ga₂O₃ 二极管模块 FE 模型。其次，分别对稳态额定工况和瞬态浪涌工况开展模拟，并进行热分析。最后，基于模拟结果，对高功率 Ga₂O₃ 器件封装的发展趋势进行了分析和讨论。在三种封装中，压接封装在额定工作条件下对芯片的热管理、在浪涌工况下芯片温升抑制方面均表现最佳。

        ● 通过有限元模拟，对多种封装技术在 Ga₂O₃ 器件热管理效果，进行了系统性、定量对比分析； 

        ● 清晰揭示了压接、焊接、TO-247 三种封装结构对氧化镓芯片热管理效果；

        ● 在稳态额定与瞬态浪涌工况中，压接封装结构对氧化镓热管理效果均最优；

        ● 该研究为未来大功率 Ga₂O₃ 器件的热设计和封装方案选择提供了理论依据和指导。

        在本研究中，提出了采用压装、焊接和 TO-247 封装的 Ga₂O₃ 模块有限元（FE）模型。模拟了稳态额定工况和瞬态浪涌工况，获取温度分布并开展对比，得出主要结论如下： 

        1) 在稳态额定运行条件下，与焊接和 TO-247 封装相比，压装模块中芯片平均温度（T_ave）分别降低了31.8% 和 29.8%，最高温度（T_max）分别降低了25.3%和22.8%，展现出优异的散热性能。

        2) 在 10ms 瞬态浪涌条件下，与焊接和 TO-247 封装相比，压接封装模块中芯片的平均温度（T_ave）分别降低了18.9% 和 9.7%，而最高温度（T_max）仅分别降低了12.4% 和 2.1%。这一现象可能归因于芯片边缘区域散热性能不足。

图1. 压接式 Ga₂O₃ 模块的结构。

图 2. 网格划分后的压接组件有限元模型。

DOI：

doi.org/10.1109/IEECSC64206.2025.11099800