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）已成為高頻、高功率射頻器件的重要基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)硅器件相比，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，能夠在高電壓、高頻率條件下穩(wěn)定工作，但高功率密度帶來(lái)的高熱流密度，使得自熱效應(yīng)成為限制GaN HEMT性能和可靠性的核心問(wèn)題之一。
01
背景介紹
近期，賓夕法尼亞州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)封裝GaN HEMT的熱阻構(gòu)成與熱優(yōu)化路徑開(kāi)展了系統(tǒng)研究，相關(guān)成果以“Optimization Factors for the Thermal Design of Packaged GaN High-Electron-Mobility Transistors”為題，發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices。該研究通過(guò)結(jié)合微拉曼熱測(cè)量、時(shí)域熱反射以及三維電熱耦合建模的方法，對(duì)采用CuMo封裝基板的單指GaN-on-SiC HEMT進(jìn)行系統(tǒng)分析，厘清了器件從結(jié)區(qū)到散熱器之間的熱阻網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別出主導(dǎo)器件升溫的關(guān)鍵層與界面，解決了GaN HEMT熱管理中“不知熱阻核心來(lái)源、優(yōu)化方向模糊”的問(wèn)題。
02
成果研究
本次研究的亮點(diǎn)十分突出，所有結(jié)論均基于明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果。研究首先對(duì)比了不同貼片材料對(duì)散熱性能的影響，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封裝的連接層，結(jié)果顯示封裝后的器件結(jié)溫顯著下降，其中AuSn焊料使器件溫升下降最明顯，高熱導(dǎo)銀膠則在熱性能與熱機(jī)械可靠性之間實(shí)現(xiàn)了較好平衡，同時(shí)明確封裝連接層雖非最大熱阻來(lái)源，但材料選擇不合理會(huì)顯著影響熱管理效果。更關(guān)鍵的是，研究拆解器件內(nèi)部溫度分布后發(fā)現(xiàn)，半絕緣GaN緩沖層是總熱阻的主要貢獻(xiàn)者，占比約63%，SiC襯底占比約28%，而貼片層僅占約2%，這表明GaN HEMT的熱瓶頸主要在器件內(nèi)部，而非單純的封裝散熱問(wèn)題。
關(guān)于GaN緩沖層厚度的研究的也得出了具體結(jié)論：緩沖層厚度并非簡(jiǎn)單的“越薄越好”或“越厚越好”，而是與器件偏置狀態(tài)、熱流分布及溝道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在部分夾斷工作狀態(tài)下，較厚的緩沖層有利于橫向散熱、降低熱點(diǎn)溫度；完全導(dǎo)通狀態(tài)下，熱源分布均勻時(shí)，減薄緩沖層可降低整體熱阻。通過(guò)不同溝道長(zhǎng)度的TLM結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，短溝道器件適配較厚緩沖層，長(zhǎng)溝道器件則更適合較薄緩沖層，說(shuō)明GaN HEMT熱設(shè)計(jì)需結(jié)合實(shí)際熱流分布與三維熱擴(kuò)散行為，不能依賴(lài)簡(jiǎn)單的一維熱阻模型。此外，研究還模擬了金剛石熱管理方案，單一替換單晶金剛石襯底可使總熱阻下降約21%，頂部集成多晶金剛石熱擴(kuò)散層可降低約17%，雙側(cè)同時(shí)采用可使總熱阻下降約35%，展現(xiàn)出金剛石在熱管理中的巨大潛力。
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(shù)脂（樣品1）和? = 22 W/m·K的銀環(huán)氧樹(shù)脂（樣品2），以及熱導(dǎo)率? = 57 W/m·K的AuSn焊料（樣品3）。
04
總結(jié)
該研究并未局限于單一材料或封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，而是從“器件—材料—封裝”的整體熱路徑出發(fā)，重新梳理了GaN HEMT的熱傳輸機(jī)制。研究明確，未來(lái)高功率GaN MMIC器件的熱管理，需要綜合考慮緩沖層設(shè)計(jì)、界面熱阻、貼片材料、封裝結(jié)構(gòu)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)于向更高功率密度發(fā)展的GaN射頻器件而言，這項(xiàng)研究為后續(xù)金剛石散熱、異質(zhì)集成以及高熱導(dǎo)封裝路線(xiàn)，提供了具體且可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，也為解決GaN HEMT自熱效應(yīng)、提升器件性能與可靠性提供了重要參考。
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