作為新一代固態微波功率器件的代表，GaN半導體具有高二維電子氣濃度、高擊穿場強、高的電子飽和速度等特點，在微波大功率器件應用領域有較第一、二代半導體材料顯著的性能優勢，其輸出功率密度可以幾倍甚至十幾倍于GaAs微波功率FET，滿足新一代電子產品對更大功率、更高頻率、更小體積微波功率器件的要求。目前，氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 是航空航天、通信和先進能源系統中使用的高功率、高頻射頻系統的核心。
然而，隨著器件小型集成化的發展，現階段在GaN基功率器件的研制和應用進程中，GaN器件在高功率狀態下的可靠性面臨嚴峻挑戰，導致其大功率性能優勢遠未充分發揮。產生巨大的熱負荷，導致結溫經常接近故障閾值。傳統的熱管理策略難以承受，并危及長期可靠性。例如，傳統封裝級散熱技術無法有效解決這一問題：金屬散熱器、導熱硅脂和導熱膏以及強制風冷，在消散射頻操作中常見的集中瞬態熱量方面越來越顯得不足。GaN 正成為射頻系統的核心組件，用于功率放大，產生強大的熱負荷。來源：Daniel Prudek/Adobe Stock必須從GaN器件內部入手提升其近結區的熱傳輸能力，因此，芯片級的高效散熱技術研究成為業內的主要研究熱點和急需解決的重要問題之一。研發重點已轉向解決源頭或附近散熱問題的設備和材料解決方案。目前，該領域有四項前景光明的創新，每項創新都具有獨特的性能特點、制造挑戰和部署時間表。接下來小編將一一盤點。
01
最強導熱神器：用于熱量提取的金剛石基板
作為第四代半導體核心材料，金剛石半導體具有超寬禁帶、高擊穿場強、高載流子飽和漂移速度等材料特性。金剛石還是自然界中導熱性能最好的材料之一，其熱導率高達2000W/m·K，遠超傳統導熱材料，能有效將熱量從芯片傳導至散熱設備，大幅提升散熱效果?。與SiC相比，鉆石芯片成本可便宜至30%左右，所需材料面積僅為SiC芯片1/50，減少2/3的能量損耗，并將芯片體積縮小至1/4。另外，金剛石還具有優良的機械性能和化學穩定性，保證了設備的長期穩定運行。
人造金剛石，在直接利用 GaN 結提取熱量方面獨樹一幟。在金剛石基 GaN 架構中，晶體管層要么鍵合到金剛石基底上，要么通過化學氣相沉積 (CVD) 集成。這些方法旨在在產生點攔截熱量，但其有效性受到熱邊界阻力（TBR）的限制，而熱邊界阻力會成為熱傳遞的瓶頸。最近的進展使該技術更接近于在關鍵任務射頻系統中的部署。下文將詳細介紹這些進展。圖1 金剛石材料的優異特性
（1）3D鉆石封裝
“三維集成芯片”“混合鍵合”其實對應著芯片行業的“3D封裝和互連”。 三維集成是什么？就像在三維空間上蓋高樓，未來的芯片不會只局限在平面發展，而是會逐漸升高“緯度”，就像做漢堡一樣，不斷疊高高，以增強性能。未來芯片也不會像現在一樣，只是一顆單CPU/MCU芯片，而是集成加速器、內存、存儲。CVD金剛石熱沉片優勢顯著，熱導率高達1500-2300W/m·K，能快速導出芯片熱量，保持低溫穩定運行，避免性能下降；低熱膨脹系數使其高溫下尺寸穩定，防止熱應力影響芯片可靠性；優異介電性能保障信號傳輸穩定，為芯片提供穩定電學環境，確保信號準確高效。
2024 年 CS MANTECH 的一項研究表明，將 GaN 器件封裝在金剛石基底上，并結合熱界面退火和超薄鍵合層，可以顯著降低 TBR。這種架構在器件的各個側面都創建了高導熱路徑，并在不影響功率性能的情況下實現了更高效的結級冷卻。此類系統目前正在國防級射頻放大器中進行評估，其熱余量和性能證明了增加制造復雜性是合理的。
（2）3D金剛石矩陣集成
另外，工程師們也正在探索將整個GaN功率放大器嵌入三維金剛石矩陣中。這種體積冷卻策略可增強整個器件面積的均勻散熱，并在熱受限環境中支持更高的持續功率密度。
（3）納米晶和圖案化金剛石層
另外一種方式，在表面層面，納米晶金剛石覆蓋層和圖案化金剛石區域正在開發中，以直接針對熱點。這些技術可在不改變整體器件結構的情況下改善橫向熱擴散，并可能為商用射頻元件提供一種復雜度更低的熱增強途徑。
不可否認，金剛石基板散熱方式前景是光明的，但挑戰依然存在。
金剛石的低熱膨脹系數在與GaN鍵合時會引入機械應力，而且高良率集成工藝仍然難以規模化。射頻硬件的廣泛應用將取決于降低材料成本和改進鍵合技術以支持可制造性。
與此同時，金剛石超精密加工問題十分突出。相比于硅基底，金剛石基底硬度大，金剛石晶片的表面拋光非常困難，將金剛石表面粗糙度拋光降低至1nm以內耗時極長且成本高。
02
微通道冷卻
微通道冷卻是另一種有效方式，通過在有源區正下方或附近引入對流散熱來解決GaN的熱約束問題。這些架構將冷卻劑通道集成到基板或中介層中，使流體路徑位于器件結點附近，使其熱性能接近器件結點。這種配置尤其適用于高功率射頻系統，因為密集開關活動產生的局部熱量積聚會降低線性度、降低增益并加速器件老化。
接下來小編將會分析最近一些提高微通道冷卻在射頻應用中可行性的發展。首先，集成在硅中介層上的GaN HEMT，配備精細的水冷微通道，可在高功率射頻工作期間將結溫保持在臨界熱限值以下。結果表明，直接液冷技術對于下一代放大器而言越來越可行。（2）混合微通道架構：外延集成微通道+兩相蒸發冷卻
此外，研究人員還在探索混合配置，包括GaN襯底內的外延集成微通道，以及利用潛熱且不增加流體復雜性的兩相蒸發冷卻系統。雖然這些方法前景光明，但技術成熟度仍較低，需要進一步改進以滿足射頻硬件嚴格的可靠性和封裝要求。
這種方式盡管切實可行，但諸多限制因素限制了短期部署。液體冷卻需要主動泵送、氣密密封和持續的熱調節。這些因素都會使機載和天基射頻平臺的實施變得復雜，因為可靠性、重量和抗振性是不可妥協的。此外，熱性能的提升并不總是與通道接近度成正比。在某些情況下，由于壓降和機械減薄的權衡，超薄微通道的性能可能不如簡化的冷板解決方案。
03
3D封裝和雙面冷卻
GaN 系統的熱性能不僅僅受材料限制。封裝架構在決定器件散熱方式方面起著至關重要的作用。傳統的 GaN 模塊依賴于底部傳導，迫使熱量穿過芯片和基板，最終到達散熱器。
現代3D封裝打破了這一模式，通過頂部冷卻、垂直散熱孔和雙面導熱實現了多條散熱路徑。由于這些方法將傳統材料重新配置為熱優化的幾何形狀，因此它們既具有可擴展性，又與標準制造工藝兼容。
接下來，幾個商業案例說明了封裝創新如何擴展GaN在射頻系統中的工作范圍，其中包括：
（1）頂部冷卻
2023年，全球領先的高性能混合信號電子和射頻解決方案供應商恩智浦半導體 (NXP Semiconductors)推出了一款頂部冷卻射頻模塊，該模塊將GaN芯片熱粘合到集成散熱蓋上，無需依賴底板。這種配置可將90%以上的熱量通過頂部表面傳導，從而降低20%的結溫，并打造出更輕薄的模塊，非常適合5G基站部署。與此同時，領先的硅基氮化鎵功率器件開發商Innoscience發布了其硅基氮化鎵晶體管的雙冷卻封裝。該架構在30 A負載條件下實現了結溫降低25%，同時保持了引腳兼容性。該設計非常適合部署在數據中心、太陽能逆變器和電信基礎設施等高密度應用中。在高密度GaN組件中，熱TSV被集成到硅中介層中，為熱量從器件垂直移動到背面散熱器提供直接、低電阻的路徑。這些結構支持電傳導和熱傳導，在堆疊或異構封裝配置中尤其有用。綜上所述，頂部冷卻和雙面冷卻代表著成熟且可制造的策略，無需引入新材料或復雜的集成步驟即可實現顯著的熱增益。通過使用熟悉的基板和布局來重構熱路徑，這些方法為提高GaN基射頻系統的功率密度和可靠性提供了直接途徑，尤其是在外形尺寸和部署速度至關重要的情況下。
目前，先進的散熱器和熱界面材料 (TIM) 正在不斷改進，以便比高功率射頻系統中的標準銅板或導熱油脂更均勻、更有效地傳導熱量，因為熱梯度會降低設備的可靠性和性能。高性能散熱材料組合也不斷擴展。嵌入銅或銀基質的金剛石顆粒可形成具有優異導熱性和可調熱膨脹系數的復合材料。在GaN器件下測試的銀金剛石擴散器顯示出比Cu-Mo載體更低的熱阻，有效導熱率可達數百W/m·K。作為GaN基板，均熱板和熱管可提供500 W/m·K至1,200 W/m·K的熱導率，并有助于保持整個射頻封裝的溫度均勻。在對流受限的航空航天系統中，環路熱虹吸器和嵌入式熱管可被動地將熱量轉移到輻射表面。柔性熱解石墨片的平面導熱系數超過 1,500 W/m·K，廣泛應用于電信和移動射頻系統，用于橫向散熱，并抑制高密度封裝環境中的局部熱點。與之互補的是高性能碳載墊、氮化硼片和石墨烯薄膜，它們可在不增加復雜性的情況下增強芯片級的散熱效果。
熱設計已成為GaN系統性能的首要制約因素。隨著GaN在高功率、高頻領域的深入發展，熱量已成為阻礙其發展的主要因素。業界不再只是進行漸進式的修補，而是開始從頭開始重新思考熱堆棧。金剛石基板、嵌入式流體系統、均熱板和下一代TIM（熱界面材料）實際上都是生存策略。但即使是最優雅的解決方案，如果無法擴展，也毫無意義。在成本下降和集成障礙縮小之前，最先進的冷卻解決方案仍將局限于航空航天、國防和旗艦部署領域。隨著材料、設計工具和封裝技術的突破，熱管理創新本身也將快速加速。預計熱工程師和射頻設計師之間的協同將更加緊密，而人工智能驅動的協同設計工具、增材制造和智能封裝將使熱優化從瓶頸轉變為設計加速器。隨著系統尺寸越來越小、溫度越來越高、任務越來越關鍵，熱架構必須從靜態層級演變為動態賦能器。在這場競賽中，誰能掌控熱量，誰就能在功率、可靠性和覆蓋范圍方面實現下一個飛躍。
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