隨著5G通信、雷達(dá)以及高頻功率電子的發(fā)展，氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）正在成為高頻、高功率射頻器件的重要基礎(chǔ)。相比傳統(tǒng)硅器件，GaN材料具備更高擊穿電場(chǎng)、更高電子遷移率以及二維電子氣（2DEG）特性，因此能夠在高電壓、高頻率條件下工作。不過(guò)，高功率密度也意味著更高的熱流密度，自熱效應(yīng)已成為限制GaN HEMT性能和可靠性的核心問(wèn)題之一。
近期，來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)封裝GaN HEMT的熱阻構(gòu)成與熱優(yōu)化路徑進(jìn)行了系統(tǒng)研究。相關(guān)成果以“Optimization Factors for the Thermal Design of Packaged GaN High-Electron-Mobility Transistors”為題，論文發(fā)表于 IEEE Transactions on Electron Devices。
論文的核心目標(biāo)，是厘清GaN HEMT從結(jié)區(qū)到散熱器之間的熱阻網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別真正主導(dǎo)器件升溫的關(guān)鍵層與界面。
為此，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合微拉曼熱測(cè)量（micro-Raman thermometry）、時(shí)域熱反射（TDTR）以及三維電熱耦合建模，對(duì)采用CuMo封裝基板的單指GaN-on-SiC HEMT進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
研究首先比較了不同貼片材料（die-attach material）對(duì)器件散熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)分別采用低熱導(dǎo)銀膠、高熱導(dǎo)銀膠以及AuSn焊料作為芯片與CuMo封裝之間的連接層。結(jié)果顯示，相較裸芯片結(jié)構(gòu)，封裝后的器件結(jié)溫明顯下降，而貼片材料熱導(dǎo)率的提升能夠進(jìn)一步降低熱阻。其中，采用AuSn焊料時(shí)，器件溫升下降最明顯；高熱導(dǎo)銀膠則在兼顧熱性能與熱機(jī)械可靠性方面展現(xiàn)出較好的平衡。研究認(rèn)為，對(duì)于高功率GaN器件而言，封裝連接層雖然并非最大的熱阻來(lái)源，但不合理的材料選擇仍會(huì)顯著影響整體熱管理效果。
相比封裝材料，更值得關(guān)注的是器件內(nèi)部材料層本身。通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部溫度分布的拆解，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，半絕緣GaN緩沖層是整個(gè)熱阻網(wǎng)絡(luò)中的主要貢獻(xiàn)部分，占總熱阻約63%；SiC襯底約占28%；而貼片層僅占約2%。這一結(jié)果意味著，GaN HEMT的熱問(wèn)題并不只是“封裝散熱”問(wèn)題，更深層的瓶頸實(shí)際上位于器件內(nèi)部。
圍繞這一問(wèn)題，論文進(jìn)一步研究了GaN緩沖層厚度對(duì)散熱行為的影響。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)緩沖層并不存在簡(jiǎn)單的“越薄越好”或“越厚越好”規(guī)律，而是與器件偏置狀態(tài)、熱流分布以及溝道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在部分夾斷（partially pinched-off）工作狀態(tài)下，較厚的GaN緩沖層有利于橫向擴(kuò)散熱量，能夠降低熱點(diǎn)溫度；但在完全導(dǎo)通狀態(tài)下，當(dāng)熱源分布更加均勻時(shí)，減薄緩沖層反而有助于降低整體熱阻。
為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了不同溝道長(zhǎng)度的TLM結(jié)構(gòu)，并利用納米顆粒輔助拉曼熱測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)溝道較短時(shí)，較厚緩沖層更利于散熱；而在長(zhǎng)溝道結(jié)構(gòu)中，較薄緩沖層則表現(xiàn)更優(yōu)。這說(shuō)明GaN HEMT熱設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的一維熱阻模型完成，而需要結(jié)合實(shí)際熱流分布與三維熱擴(kuò)散行為進(jìn)行綜合優(yōu)化。
在此基礎(chǔ)上，論文還討論了金剛石熱管理方案的潛力。研究分別模擬了單晶金剛石替代SiC襯底，以及在器件頂部引入多晶金剛石熱擴(kuò)散層兩種方案。結(jié)果顯示，僅替換為單晶金剛石襯底即可使總熱阻下降約21%；頂部集成多晶金剛石熱擴(kuò)散層則可降低約17%；若同時(shí)采用上下雙側(cè)金剛石散熱結(jié)構(gòu)，總熱阻可下降約35%。
整體來(lái)看，這項(xiàng)工作并未停留于單一材料或單一封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，而是嘗試從“器件—材料—封裝”整體熱路徑出發(fā)，重新理解GaN HEMT中的熱傳輸機(jī)制。論文提出，未來(lái)高功率GaN MMIC器件的熱管理，需要同時(shí)考慮緩沖層設(shè)計(jì)、界面熱阻、貼片材料、封裝結(jié)構(gòu)以及金剛石集成等多個(gè)維度，形成系統(tǒng)性的熱優(yōu)化策略。對(duì)于正在向更高功率密度發(fā)展的GaN射頻器件而言，這類研究也為后續(xù)的金剛石散熱、異質(zhì)集成以及高熱導(dǎo)封裝路線提供了更具體的設(shè)計(jì)依據(jù)。
圖1. (a) 封裝GaN HEMT的截面示意圖。圖中還標(biāo)出了用于測(cè)定相應(yīng)溫度值的內(nèi)部位置，以便計(jì)算各材料層或界面的熱阻：2DEG溝道（點(diǎn)1）、GaN層下方（點(diǎn)2）、襯底（點(diǎn)3）、芯片粘接材料（點(diǎn)4）、CuMo片（點(diǎn)5）以及熱界面材料（TIM）（點(diǎn)6）。（b）測(cè)得與模擬的電輸出以及（c）傳輸特性。
圖2. (a) 裸芯片和封裝器件的測(cè)量與模擬溝道溫升對(duì)比。(b) 在VGS = 0 V和VDS = 13.6 V條件下，12 W/mm功耗下的典型發(fā)熱分布。(c) 裸片及三款封裝GaN HEMT在12 W/mm工作條件下的峰值溝道溫升（2DEG ?T）。用于這三款封裝GaN HEMT的芯片粘接材料分別為：熱導(dǎo)率? = 2.5 W/m·K的銀環(huán)氧樹脂（樣品1）和? = 22 W/m·K的銀環(huán)氧樹脂（樣品2），以及熱導(dǎo)率? = 57 W/m·K的AuSn焊料（樣品3）。
