【導(dǎo)讀】隨著 GaN 功率放大器向小型化、大功率發(fā)展，其熱耗不斷增加，散熱問(wèn)題已成為制約功率器件性能提升的重要因素。金剛石熱導(dǎo)率高達(dá) 2000 Ｗ/(m?K)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型散熱材料，可用作大功率器件的封裝載片。
摘要
隨著 GaN 功率放大器向小型化、大功率發(fā)展，其熱耗不斷增加，散熱問(wèn)題已成為制約功率器件性能提升的重要因素。金剛石熱導(dǎo)率高達(dá) 2000 Ｗ/(m·K)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型散熱材料，可用作大功率器件的封裝載片。采用不同載片材料對(duì)一款熱耗為 53 Ｗ 的 GaN 功率放大器進(jìn)行封裝。分別采用有限元仿真及紅外熱成像儀對(duì)放大器的芯片結(jié)溫進(jìn)行仿真和測(cè)試，結(jié)果顯示，采用金剛石載片封裝的放大器的結(jié)溫比采用鉬銅（MoCu30）載片封裝的放大器的結(jié)溫降低了 30.01℃，約 18.69％。同其他常用載片材料進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比得出，在相同工作條件下，采用金剛石載片封裝的放大器結(jié)溫最低，并且隨著熱耗增加，金剛石的散熱能力更為突出。在芯片安全工作溫度 175℃以下，金剛石能滿(mǎn)足 GaN 功率放大器 100 W 熱耗的散熱需求。
引言
GaN 作為第三代半導(dǎo)體材料，具有更高的自發(fā)極化系數(shù)及更大的壓電系數(shù)，能承受更高的功率密度，適用于高頻、高溫大功率電子器件。但隨著功率器件向小型化和大功率發(fā)展，芯片有源區(qū)的熱積累效應(yīng)使 GaN 器件的大功率性能優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮。當(dāng)器件溫度上升時(shí)，器件特性如漏源電流、增益、輸出功率和壽命等會(huì)出現(xiàn)退化，甚至失效。研究表明，結(jié)溫每升高 10~12℃，器件的壽命及可靠性會(huì)降低 50％，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為限制 GaN 功率器件發(fā)展的主要瓶頸之一，為解決此問(wèn)題，提出了多種降低器件溫度的散熱方式，其中新型電子封裝材料的研究開(kāi)發(fā)成為解決 GaN 功率器件散熱問(wèn)題的技術(shù)關(guān)鍵。
金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá) 2000 Ｗ/(m·K），是自然界中熱導(dǎo)率僅次于石墨烯的材料，因此金剛石逐漸成為 GaN 器件封裝材料的首選。近年來(lái)金剛石作為 GaN 器件的熱沉材料和襯底材料，其技術(shù)和應(yīng)用均取得較大進(jìn)展。2005 年，Ｗ. Koh 等人指出傳統(tǒng)材料的熱導(dǎo)率已無(wú)法滿(mǎn)足高功率密度芯片的散熱需求，新型高熱導(dǎo)率材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為技術(shù)關(guān) 鍵。2012年，Ｍ. J. .Tadjer 等人提出在 GaN 基 HEMT 器件上添加金剛石作為襯底材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加金剛石后有效降低了器件溝道溫度，提高了器件飽和漏源電流。
2020 年，孫芮等人使用金剛石作為高功率半導(dǎo)體激光器的過(guò)渡熱沉，并測(cè)試了激光器的輸出特性，測(cè)試結(jié)果為金剛石作為熱沉用于封裝高功率器件提供了參考。但目前金剛石作為散熱材料大多處于實(shí)驗(yàn)研究階段，本文基于實(shí)際工程應(yīng)用，解決了金剛石表面不易被焊料浸潤(rùn)的問(wèn)題，并對(duì)金剛石與其他材料的散熱性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，金剛石作為封裝材料具有優(yōu)異的散熱性能。
功率放大器的封裝結(jié)構(gòu)及材料
本文研究對(duì)象是 Ku 波段 GaN 功率合成放大器，該放大器用于衛(wèi)星通信發(fā)射單元的末級(jí)功率輸出，熱耗較大。在連續(xù)波工作條件下，熱耗為 53 Ｗ。放大器的封裝結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示，模型主要包括兩個(gè) GaN 功率芯片、Au80Sn20 焊接層、載片、印制電路板（PCB）、In80Pb15Ag5 焊接層和盒體。
圖 1 放大器封裝結(jié)構(gòu)模型
為了降低芯片的工作結(jié)溫，基本理念是提高芯片有源區(qū)近端封裝體的熱導(dǎo)率，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量迅速傳輸出去，避免熱累積效應(yīng)引起的局部溫度升高。圖 2 為傳熱模型示意圖，可以看出，距離芯片最近的封裝結(jié)構(gòu)為載片，因此對(duì)超高熱導(dǎo)率的載片材料的研制具有重要意義。
圖 2 傳熱模型示意圖
GaN 功率器件常用的載片材料有鎢銅（ＷCu15）、鉬銅（MoCu30）、無(wú)氧銅（TU1）、銅-鉬銅-銅多層復(fù)合材料（Cu-MoCu-Cu，CPC）等，傳統(tǒng)材料的熱導(dǎo)率均較低，GaN 功率放大器最常用的載片材料為鉬銅合金（ＭoCu30），其熱導(dǎo)率為 185 Ｗ/(m·K）。
本實(shí)驗(yàn)采用高熱導(dǎo)率的金剛石作為載片，金剛石載片由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所專(zhuān)用集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，厚度為 0.3 ｍｍ，熱導(dǎo)率為 2000 Ｗ/(ｍ·K)，表面粗糙度在 2 nm 以?xún)?nèi)，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，金剛石載片照片如圖 3 所示。由于金剛石本身是絕緣材料，利用通孔電鍍方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通接地，同時(shí)解決了金剛石表面可焊性鍍層的制備問(wèn)題，金剛石載片與 Au80Sn20 焊料潤(rùn)濕性良好，空洞率控制在 5％以?xún)?nèi)。
圖 3 金剛石載片照片
有限元仿真
2.1 熱仿真模型及邊界條件
在圖 1 所示的封裝結(jié)構(gòu)中，GaN 功率芯片襯底為 SiC 材 料，芯片尺寸為 5.0 ｍｍ×6.65 ｍｍ×0.08 ｍｍ，有源區(qū)面積為 4.28 mm2，芯片與載片通過(guò) Au80Sn20 焊料連接；載片尺寸為 5.0 ｍｍ×10.6 ｍｍ×0.3 ｍｍ，載片與盒體通過(guò) In80Pb15Ag5 焊料連接。仿真模型中焊料層與實(shí)測(cè)器件保持一致，厚度為 0.05 ｍｍ，界面接觸系數(shù)按照 5％空洞率設(shè)置。計(jì)算模型采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為 30 萬(wàn)。模型中各部分材料參數(shù)如表 1 所示。
表 1 模型各部分材料參數(shù)
對(duì)特定產(chǎn)品進(jìn)行有限元熱仿真時(shí)， 應(yīng)根據(jù)相對(duì)應(yīng)的使用條件選擇合適的仿真方法。根據(jù) GJB548B 標(biāo)準(zhǔn) 1012 熱性能測(cè)試方法進(jìn)行芯片結(jié)溫仿真。如圖 2 所示，功率放大器安裝于溫度可控的測(cè)試架上，測(cè)試架溫度保持在 70℃。仿真按照恒溫邊界條件模擬散熱器的冷卻效果，其余外表面與空氣進(jìn)行自然對(duì)流，總熱耗為 53 Ｗ，分布于芯片的有源區(qū)，按照此設(shè)置進(jìn)行連續(xù)波條件下的穩(wěn)態(tài)熱仿真分析。
2.2 仿真結(jié)果
通過(guò)熱仿真得到兩種載片材料封裝的功率放大器溫度場(chǎng)分布，如圖 4 所示。由圖可以看出，采用 MoCu30 載片的芯片結(jié)溫為 159.17℃，采用金剛石載片的芯片結(jié)溫為 126.91℃，金剛石載片較MoCu30 載片封裝的放大器結(jié)溫下降了 32.26℃。
圖 4 采用不同載片的放大器的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果
測(cè)試驗(yàn)證
3.1 紅外測(cè)試結(jié)果
為提高測(cè)量精度，利用同一臺(tái)紅外熱成像儀對(duì)功率放大器結(jié)溫直接進(jìn)行測(cè)試，以減小測(cè)試誤差。測(cè)試過(guò)程使用與有限元仿真中相同的工作條件，圖5 為分別采用 MoCu30 載片和金剛石載片的兩種放大器的表面溫度分布熱成像。由圖可見(jiàn)，MoCu30 和金剛石載片封裝器件的芯片結(jié)溫分別為 160.60℃ 和 130.59℃，采用金剛石載片的芯片結(jié)溫較 MoCu30 載片的降低了 30.01℃，約 18.69％，與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致。
圖 5 采用不同載片的放大器的熱成像
3.2 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比
由于實(shí)際測(cè)試時(shí)，散熱器通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與盒體相連，不可能達(dá)到理想恒溫條件，因此仿真散熱效果要優(yōu)于實(shí)際測(cè)試結(jié)果。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知仿真值與實(shí)測(cè)值誤差在 3％之內(nèi)，如表 2 所示。實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果的一致性驗(yàn)證了采用金剛石載片的器件結(jié)溫更低，散熱能力更好。
表 2 測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比
金剛石與其他材料的散熱性能對(duì)比
在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行熱仿真，能預(yù)先模擬出芯片的結(jié)溫分布，對(duì)封裝放大器進(jìn)行溫度評(píng)估預(yù)測(cè)。按照 2.1 節(jié)邊界條件設(shè)置，對(duì)芯片熱耗為 53 Ｗ 的功率放大器進(jìn)行熱仿真。分別采用 5 種載片材料（ＷCu15、MoCu30、CPC、TU1和金剛石）進(jìn)行熱仿真，芯片結(jié)溫的仿真結(jié)果如表 3 所示。從表中可看出相同熱耗下 5 種載片材料的芯片結(jié)溫對(duì)比情況。
表 3 不同載片材料封裝的芯片結(jié)溫
除金剛石以外，采用其他 4 種載片材料的芯片結(jié)溫相近。其中，MoCu30 和ＷCu15 的熱導(dǎo)率相近，結(jié)溫幾乎沒(méi)有差別，但 ＷCu15 密度高，X 射線(xiàn)不能穿透，燒結(jié)后無(wú)法進(jìn)行空洞率檢測(cè)，因此MoCu30 是更好的選擇；CPC 載片與 MoCu30 載片相對(duì)應(yīng)的芯片結(jié)溫相差不大，但 CPC 加工工藝復(fù)雜、成本高；TU1 載片對(duì)應(yīng)的芯片結(jié)溫比 MoCu30 載片降低了約 12℃，但是 TU1 材質(zhì)較軟， 易產(chǎn)生大形變， 且與芯片的熱膨脹系數(shù)相差較大；高熱導(dǎo)率的金剛石載片相比 MoCu30 載片， 芯片結(jié)溫下降幅度超過(guò) 30℃，散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他所有材料。
為進(jìn)一步驗(yàn)證金剛石載片的散熱效果，對(duì)芯片熱耗為 20~120 Ｗ 的功率放大器進(jìn)行熱仿真，得到不同載片材料相對(duì)應(yīng)的芯片結(jié)溫與熱耗的關(guān)系，如圖 6 所示。從圖中可直觀看出，在 GaN 芯片的最高工作溫度 175℃ 以下，WCu15、MCu30 材料僅能滿(mǎn)足 60 Ｗ 左右熱耗的散熱，CPC 材料能滿(mǎn)足 65 Ｗ 熱耗的散熱，TU1 材料能滿(mǎn)足 70 W 熱耗的散熱，而金剛石可滿(mǎn)足將近 100 W 熱耗的散熱需求。而且隨功率放大器熱耗的增加，金剛石與其他材料的結(jié)溫差距越來(lái)越大，散熱效果越來(lái)越顯著。因此針對(duì)大功率器件，金剛石的散熱優(yōu)勢(shì)尤為突出。
圖 6 采用不同載片材料的芯片結(jié)溫隨熱耗的變化曲線(xiàn)
結(jié)論
金剛石作為新一代電子封裝材料，受到廣泛重視，是最有潛力的封裝材料之一。本文通過(guò)有限元仿真與紅外測(cè)試相結(jié)合的方法，分析了采用常規(guī)載片材料 MoCu30 與新型載片材料金剛石載片封裝的功率放大器結(jié)溫。結(jié)果顯示，金剛石載片封裝的放大器結(jié)溫降低了 30.01℃，約 18.69％。進(jìn)一步利用有限元仿真對(duì)金剛石與其他 4 種材料在不同熱耗條件下的散熱效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明金剛石散熱效果最好，可滿(mǎn)足近 100 Ｗ 熱耗的散熱需求。基于降額考慮，這對(duì)延長(zhǎng)芯片使用壽命，提高功率器件熱可靠性具有重要意義。本文的研究成果為金剛石在大功率器件中的廣泛應(yīng)用提供了參考。
（來(lái)源：半導(dǎo)體技術(shù)，作者 | 崔朝探1,2，陳政1,2，郭建超3,4，趙曉雨1,2，何澤召3,4，杜鵬搏1,2,3,4，馮志紅3,4 單位 | 1.河北新華北集成電路有限公司；2.河北省衛(wèi)星通信射頻技術(shù)創(chuàng)新中心；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所）
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