Журнал «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники» / Архив / Выпуск журнала № 2, т. 29 за 2026 год / Силовая GaN-микросборка на основе AlN-DBC-платы с металлизированными переходными отверстиями

Силовая GaN-микросборка на основе AlN-DBC-платы с металлизированными переходными отверстиями

DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-2-179-188

Скачать текст статьи в формате PDF

Скачать JATS xml

Аннотация: Актуальность. Благодаря высокой скорости переключения и низким потерям проводимости, GaN-транзисторы рассматриваются как наиболее перспективная электронная компонентная база в импульсных преобразователях электрической энергии. Однако их широкое внедрение сдерживается двумя ключевыми факторами: необходимостью минимизации паразитных индуктивностей и требованием к обеспечению эффективного теплоотвода. Цель исследования. Целью исследования является разработка и экспериментальная верификация силовой GaN-микросборки, в которой два GaN-транзистора, затворный драйвер и пассивные компоненты смонтированы на керамической AlN-DBC-плате с металлизированными переходными отверстиями, обеспечивающей низкие значения паразитной индуктивности межсоединений, а также теплового сопротивления микросборки. Методы. Схемотехническое моделирование электрических характеристик проводилось в среде LTSpice. Топологическое проектирование керамической платы выполнялось в Altium Designer. Электрическое и тепловое моделирование осуществлялось в системе инженерного анализа ANSYS Electronics Desktop: для экстракции паразитных индуктивностей межсоединений использовался модуль Q3D, а для расчета распределения температуры и определения теплового сопротивления сборки - модуль Icerak. Экспериментальная верификация включала тест двойным импульсом для оценки коммутационных перенапряжений и пиковых токов, а также инфракрасную термографию работающего образца. Научная новизна. Предложена оригинальная конструкция силовой GaN-микросборки на основе AlN-керамической платы с двусторонней медной металлизацией и переходными металлизированными отверстиями, характеризующаяся низкими величинами индуктивностей затворного и силового контуров GaN-транзисторов, а также теплового сопротивления микросборки. Результаты. Силовая GaN-микросборка имеет два независимых канала, каждый из которого обеспечивает ток до 7 А, рабочее напряжение не менее 100 В. Показано, что для данной конструкции микросборки индуктивность в затворном контуре обоих каналов имеет характерную величину 2,6 и 2,2 нГн, а добавочная паразитная индуктивность в силовой контур транзистора не превышает 0,5 нГн. Согласно результатам моделирования и экспериментальных исследований, перенапряжение на стоке транзистора не превышало 20 В при пиковом токе в индуктивной нагрузке 125 А, а тепловое сопротивление "активная область силового транзистора - окружающая среда" не превышает 36 К/Вт. Практическая значимость. GaN-микросборка предназначена для применения в составе высокоплотных низковольтных импульсных преобразователей, работающих на частотах выше 0,5 МГц, и позволяет поднять их удельную мощность.

Ключевые слова: силовая GaN-электроника, GaN-микросборка, экстракция паразитных параметров, DBC-керамика, металлизированные переходные отверстия, низкая паразитная индуктивность, гибридная интеграция

Библиография статьи:
Полынцев Е. С. Силовая GaN-микросборка на основе AlN-DBC-платы с металлизированными переходными отверстиями / Е. С. Полынцев [и др.] // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2026. – Т. 29, № 2. – С. 179–188. DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-2-179-188

Авторы и правообладатели:

Полынцев Е. С. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Кодорова И. Ю. , НПП «Радар ммс»
Бартенев А. И. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Аксенов А. А. , Институт сильноточной электроники Сибирского отд. Российской академии наук (ИСЭ СО РАН)
Воробьев М. С. , Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Кагадей В. А. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

1. Recent advances in GaN-based power HEMT devices / J. He, W.C. Cheng, Q. Wang, K. Cheng, H. Yu, Y. Chai // Ad- vanced Electronic Materials. – 2021. – Vol. 7, No. 4. – P. 2001045.
2. Reliability, applications and challenges of GaN HEMT technology for modern power devices: A review / N. Islam, M.F.P. Mohamed, M.F.A.J. Khan, S. Falina, H. Kawarada, M. Syamsul // Crystals. – 2022. – Vol. 12, No. 11. – P. 1581.
3. Garg T. Recent developments, reliability issues, chal- lenges and applications of GaN HEMT technology / T. Garg, S. Kale // IEEE Electron Devices Reviews. – 2024. – Vol. 1. – P. 16–30.
4. Udabe A. Gallium nitride power devices: A state of the art review / A. Udabe, I. Baraia-Etxaburu, D.G. Diez // IEEE Access. – 2023. – Vol. 11. – P. 48628–48650.
5. High-temperature electrical performances and physics- based analysis of p-GaN HEMT-device / S. Li, S. Liu, Y. Tian, C. Zhang, J. Wei, X. Tao, N. Li, L. Zhang, W. Sun // IET Power Electronics. – 2020. – Vol. 13, No. 3. – P. 420–425.
6. Thermal analysis of flip-chip bonding designs for GaN- power-HEMTs with an on-chip heat-spreading layer / K.B. Hong, C.Y. Peng, W.C. Lin, K.L. Chen, S.C. Chen, H.C. Kuo, E.Y. Chang, C.H. Lin // Micromachines. – 2023. – Vol. 14, No. 3. – P. 519.
7. Design of Low Parasitic Inductance GaN-HEMT-Flip- Chip Power Module / M.D. Rahman, T. Akter, A.S.M.K. Hasan, H.A. Mantooth, X. Song // 2025 IEEE Applied Power Electro- nics Conference and Exposition (APEC). – Atlanta, GA, USA: IEEE, 2025. – P. 1844–1849.
8. A highly integrated GaN power module with low para- sitic inductance and high thermal performance / H. Kong, F. Yang, C. Yang, Y. Zhang, Z. Wang, Y. Yao, Y. Wang, L. Wang // 2022 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition (ECCE). – Detroit, MI, USA: IEEE, 2022. – P. 1–7.
9. High power-density 3D integrated power supply mo- dule based on panel-level PCB embedded technology / F. Hou, X. Guo, Q. Wang, W. Wang, T. Lin, L. Cao, G.Q. Zhang, J.A. Ferreira // 2018 IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). – San Diego, CA, USA: IEEE, 2018. – P. 1365–1370.
10. Mrad R. A PCB based package and 3D-assembly for high power density converters / R. Mrad, J. Morand, R. Perrin, S. Mollov // 2019 IEEE International Workshop on Integrated Power Packaging (IWIPP). – Toulouse, France: IEEE, 2019. – P. 73–77.
11. IGBT power module design for suppressing gate vol- tage spike at digital gate control / Z. Lou, T. Mamee, K. Hata, M. Takamiya, S.I. Nishizawa, W. Saito // IEEE Access. – 2023. – Vol. 11. – P. 6632–6640.
12. Automotive power module packaging: Current status and future trends / Y. Yang, L. Dorn-Gomba, R. Rodriguez, C. Mak, A. Emadi // IEEE Access. – 2020. – Vol. 8. – P. 160126–160144.
13. Смирнов В.И. Моделирование теплоэлектриче- ских процессов в силовых модулях на MOSFET-транзис- торах / В.И. Смирнов, А.М. Ходаков, А.А. Гавриков // РЭН- СИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. – 2023. – Т. 15, № 2. – С. 117–124.
14. Implementation and switching behavior of a PCB- DBC-IGBT-module based on the power chip-on-chip 3-D-con- cept / J.L. Marchesini, P.O. Jeannin, Y. Avenas, J. Delaine, C. Buttay, R. Riva // IEEE Transactions on Industry Applica- tions. – 2016. – Vol. 53, No. 1. – P. 362–370.
15. Embedded PCB and DBC-integrated design of 650 V GaN-power modules with enhanced thermal and electrical per- formance / A.Y. Choi, J. Jeon, J.H. Lim, S.W. Yoon // Micro- electronics Reliability. – 2026. – Vol. 179. – P. 116053.
16. PCB-on-DBC GaN power module design with high- density integration and double-sided cooling / X. Tian, N. Jia, D. DeVoto, P. Paret, H. Bai, L.M. Tolbert, H. Cui // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 39, No. 1. – P. 507–516.
17. Morganti T. PCB Layout Rules for Converters and Motor Drives // Efficient Power Conversion [Электронный ресурс]. – URL: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/docu- ments/presentations/pcb-layout-rules-04292025.pdf (дата обращения: 20.03.2026).
18. EPC2016C – eGaN Fet Datasheet // Efficient Power Conversion [Электронный ресурс]. – URL: https://epc- co.com/epc/portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2016C_ datasheet.pdf#page=1.00 (дата обращения: 20.03.2026).
19. Design and Optimization of 100 V GaN Multi-chip Power Micromodule Based on AlN DBC Substrate / E.S. Polyntsev, I.Y. Kodorova, A.A. Aksenov, V.A. Kagadey // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Profession- als in Electron Devices and Materials (EDM). – Altai, Russian Federation: IEEE, 2024. – P. 1180–1184.
20. Kodorova I.Y. Thermal Analysis of Packaging Solu- tion for GaN-Multi-chip-Power Micromodule / I.Y. Kodorova, E.S. Polyntsev, V.A. Kagadey // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – Altai, Russian Federation: IEEE, 2024. – P. 1230–1233.
21. Gan C.L. Advanced flip chip packaging / C.L. Gan, C.Y. Huang // Interconnect Reliability in Advanced Memory Device Packaging. – Cham: Springer International Publishing, 2023. – P. 67–94.
22. Levett D. Double pulse testing: The how, what and why / D. Levett, Z. Zheng, T. Frank // Infineon Technologies. – 2020. – P. 30–35 [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.scribd.com/document/803783300/Infineon-Double- pulse-testing-Bodos-power-systems-Article-v01-00-EN (дата обращения: 20.03.2026).

Рукописи статей направлять на адрес редакции: journal@tusur.ru

Последний выпуск

Доклады ТУСУР
№ 2, т. 29, 2026

Адрес редакции

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, МК, каб. 310/2

(3822) 701-582, внутр.: 1456

journal@tusur.ru

Подписка на обновления

Оформить подписку на получение обновлений журнала