引言
图1：（a）未安装散热器时，以半桥配置安装在 PCB 上的 GaN 器件剖面图；（b）未安装散热器时，半桥配置中 GaN 器件的等效热路。
与其他类型的晶体管一样，GaN 场效应晶体管在开关过程中会产生功率损耗。这些损耗会以热量的形式表现出来；如果超过特定温度限制，就可能损坏器件。因此，热管理是功率变换器设计中的一个重要环节。
在某些应用中，热管理策略仅限于那些可以通过 PCB 本身实现的解决方案。即使不使用散热器，也可以采用多种有效的板级设计技术，最大限度地提高散热能力并改善 GaN 器件的热性能。
PCB 对于热量能否有效地从 GaN FET 传递到周围环境起着关键作用。电路板面积、铜箔面积、铜箔厚度、散热过孔以及器件之间的距离都会影响热性能，同时也会影响变换器的电气性能。
02、首先理解热传递路径
功率电子器件在工作过程中会消耗能量，从而产生自热。器件结区产生的热量会通过两条并行的主要路径流向温度较低的物体：一条经由 PCB，另一条经由器件外壳或背面。
热流最先遇到的热阻位于器件内部，包括结到电路板的热阻和结到外壳的热阻。这些热阻取决于器件结构以及构成材料的导热系数。一旦器件制造完成，这些内部热阻便无法改变。
在 PQFN 封装器件中，热量首先从芯片经过铜质引线框架，然后才到达电路板。铜具有较高的导热系数，同时该封装还提供了较大的焊接表面积来传导热量，因此 PQFN 器件能够获得比芯片级封装器件更好的热性能，有时还可以实现更低的结到板的热阻。
FET 外部的热阻——包括 PCB、散热器和周围环境所形成的热阻——通常是整体结到环境热阻中的主导因素。因此，当无法使用散热器时，PCB 设计就显得格外重要。
03、PCB的面积与器件尺寸散热的影响
在仅依靠 PCB 散热的系统中，对器件温度影响最大的 PCB 设计参数之一就是电路板面积。
尺寸较大的电路板能够更有效地将热量传递到环境中，因为它提供了更大的对流散热表面积。一项采用两颗PQFN GaN FET器件进行的研究显示，随着 PCB 尺寸减小，器件温度会急剧上升。
不过，随着电路板尺寸继续增大，散热改善效果最终会逐渐减弱。这意味着，单纯增加 PCB 尺寸并不能带来无限的热性能收益。
GaN 器件本身的尺寸也会影响传热能力和最高温度。尺寸较大的 PQFN 器件在引线框架下方具有更大的表面积，可以与 PCB 连接，因此能够让更多热量传递到电路板中。这也是为什么在进行设计时，应当将封装选型与 PCB 热设计结合起来考虑。
04、铜箔面积与走线宽度对散热的影响
由于铜具有很高的导热系数，与器件直接相连的铜箔会成为热量从 FET 向外扩散并传递到周围环境的主要路径。
热扩散效果主要取决于铜层的几何形状、面积和厚度。对于热量扩散而言，最重要的是器件所焊接的那一层。因此，在以降低热阻为目标进行设计时，必须同时考虑连接到器件的铜走线宽度以及铜箔总面积。
如果 PCB 布局采用很窄的走线以及面积较小、彼此不连续的铜箔区域，就可能产生较高的热阻。器件产生的热量可能被困在焊盘区域，而无法有效地扩散至整个电路板。
图 2：PQFN GaN 器件的铜箔布局示意图：（a）热设计较差的布局；（b）经过改进的热设计；（c）三焊盘铜箔布局。
相比之下，与大面积铜箔连接的宽走线能够提供更加有效的热扩散路径，有助于保持较低的结到环境热阻。
采用三焊盘引线框架布局的 PQFN 器件还可以提供额外优势：它能够减少顶层铜走线中的断开区域，为热量从器件向外扩散提供更多通路。
05、铜箔厚度对散热的影响
较厚的铜走线不仅可以降低电阻，也可以降低 PCB 的热阻。在 PCB 的每一层中，厚铜都能提供高热导率的传热介质。
在针对两颗 PQFN器件进行的测试中发现增加铜箔厚度所带来的优势。在测试中，如果每颗器件的耗散功率均为 1 W：
•在静止空气条件下，将铜箔重量从 28 g 增加到 42 g，可使温升降低 6%；
•增加到 56 g 时，温升可降低 9%；
•在风速为 400 lfm（线性英尺/分钟）的气流条件下，相应的温升降幅分别为 10% 和 14%。
进一步增加铜箔厚度仍然能够降低热阻。但是，厚度超过 56 g 的铜箔可能会增加精细 PCB 图形蚀刻的难度。因此，需要在散热收益与制造要求之间进行权衡。
增加 PCB 层数也可以提高电路板的热扩散能力。不过，内埋铜层与外部环境之间的直接接触十分有限，因此对于降低到环境的热阻作用有限。
所以，PCB 层数的选择应当主要根据电气性能要求，而不应主要以热性能为依据。
06、利用好PCB的顶层和底层对散热的影响
PCB 的绝缘介质层导热系数相对较低，因此器件与电路板另一侧铜层之间会形成较高的热阻。尽管如此，通过使用高导热通道将内层和底层与顶层连接起来，仍然可以使这些铜层成为整体散热方案的一部分。为此最常使用的 PCB 结构就是镀铜过孔。
为了最大限度地发挥散热过孔的作用，应将其直接布置在器件下方，或者尽可能靠近器件。
但是，在器件正下方布置过孔也会带来额外的制造与装配问题。例如，在回流焊过程中，焊料可能会沿过孔流失。因此，直接位于器件下方的过孔需要进行填孔和盖孔电镀，以避免焊料损失并保证焊点质量。
采用这种方式能够获得显著的热性能改善。在两颗 PQFN GaN FET 器件各自耗散 1 W、气流速度为 400 lfm 的条件下：
•与完全不设置过孔的电路板相比，在器件旁边设置过孔可使结到流动空气的热阻降低 11%；
•采用焊盘凸点下过孔配置，可使热阻降低 29%。
07、做好焦耳热的管理对散热的影响
热量并非只在 GaN 器件内部产生。电流流过 PCB 铜箔时同样会产生功率损耗和热量，尤其是在连接较细、电流密度较高的区域。这种现象称为焦耳热。
由于 GaN 器件的尺寸很小，其周围经常需要集中布置大量电气连接，从而可能造成较高的电流密度。
可以通过以下方式降低焦耳热：
•设计并联连接路径；
•合理使用过孔；
•缩短电流高度集中的传导路径。
有仿真结果显示，焦耳热容易集中在铜走线的边缘和拐角处。
在电流密度最高的区域，将铜焊盘宽度增加一倍，可以使焦耳发热量降低到原来的约三分之一至五分之一。
用于承载电流的过孔同样能够降低顶层铜箔中的发热量，因为一部分电流可以通过 PCB 的内埋铜层流动。
图 3： 不同过孔配置下的 PCB 热性能比较。
08、器件布局与相互加热对散热的影响
— GaN器件间距与热耦合测试
在确定 GaN FET 的安装位置时，同样需要考虑热性能。
典型的 GaN FET 布局要求半桥中的两颗器件彼此靠近，以实现较低的回路电感。但是，当多个发热器件靠得很近时，它们会彼此传递热量，使每颗器件的结到环境热阻增大。
有一项仿真展示了这种影响：
•仅高侧 FET 耗散 1 W 时，其温升为 31.8°C；
•当低侧 FET 同时耗散 1 W 时，相互加热会使高侧器件的温升额外增加 20.3°C。
因此，在条件允许的情况下，应当使 FET 之间保持足够的间距，以减少彼此之间的热影响；但增加的距离又不能损害变换器的电气性能。
09、需要综合运用这些技术
将不同的 PCB 设计技术结合起来，可以获得最大的热性能改善。
研究人员对以下两种电路板进行了比较：
•基准电路板：采用 28 g 铜箔、六层结构，FET 附近没有过孔；
•改进电路板：采用 56 g 铜箔、四层结构，并在 FET 下方及其附近布置过孔。
结果表明，改进后的电路板使结到环境热阻降低了 35% 以上。
重要的是，采用这些技术通常能够以很少甚至无需增加 PCB 制造成本为代价，取得显著的散热收益。
根据经验，在降低热阻方面，影响最大的 PCB 设计措施是在器件下方设置过孔；其次是将铜箔厚度增加到 56 g。
总结
对 PQFN 封装 GaN FET 进行有效的热管理，并不一定需要散热器或外部热扩散器。只要以最大限度提升热传导和热扩散能力为目标进行设计，PCB 本身就能够成为一种有效的散热解决方案。
以下措施都有助于降低器件工作温度：
•使用更厚的铜层；
•增加铜箔面积；
•在器件下方或附近设置散热过孔；
•优化电流传导路径；
•为FET设置适当的间距。
将这些技术结合使用，可以显著降低结到环境热阻。与仅依靠自然对流冷却相比，它们还能够大幅降低峰值工作温度。
在相同的工作条件下，降低器件温度还可能提高变换器的整体效率。
因此，对于高性能 GaN 功率变换器而言，热管理并不仅仅是封装或散热器方面的问题——它从 PCB 布局设计阶段就已经开始了。
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