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)２ ０００ Ｗ／ （ｍ·Ｋ）， 是一種極具競爭力的新型散熱材料， 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放大器的芯片結(jié)溫進(jìn)行仿真和測試，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， 金剛石能滿足 GaN 功率放大器 １００ Ｗ 熱耗的散熱需求。?

０ 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降低 ５０％ ， 散熱問題已經(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發(fā)成為解決 GaN功率器件散熱問題的技術(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)率已無法滿足高功率密度芯片的散熱需求， 新型高熱導(dǎo)率材料的開發(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)體激光器的過渡熱沉，并測試了激光器的輸出特性，測試結(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的問題，并對金剛石與其他材料的散熱性能進(jìn)行了對比，結(jié)果表明， 金剛石作為封裝材料具有優(yōu)異的散熱性能。

１ 功率放大器的封裝結(jié)構(gòu)及材料

本文研究對象是 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，金剛石載片由中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所專用集成電路重點(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 ２ｎｍ 以內(nèi)，達(dá)到國內(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題，金剛石載片與 Ａｕ８０Ｓｎ２０ 焊料潤濕性良好，空洞率控制在 ５％以內(nèi)。

圖 ３ 金剛石載片照片

２ 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 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 Ｉｎ８０Ｐｂ１５Ａｇ５焊料連接。仿真模型中焊料層與實(shí)測器件保持一致，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。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)

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對特定產(chǎn)品進(jìn)行有限元熱仿真時(shí)，應(yīng)根據(jù)相對應(yīng)的使用條件選擇合適的仿真方法。根據(jù) ＧＪＢ５４８Ｂ標(biāo)準(zhǔn) １０１２ 熱性能測試方法進(jìn)行芯片結(jié)溫仿真。如圖 3 所示，功率放大器安裝于溫度可控的測試架上， 測試架溫度保持在 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

通過熱仿真得到兩種載片材料封裝的功率放大器溫度場分布， 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分布仿真結(jié)果

３ 測試驗(yàn)證

３.１ 紅外測試結(jié)果 為提高測量精度，利用同一臺紅外熱成像儀對功率放大器結(jié)溫直接進(jìn)行測試，以減小測試誤差。測試過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， 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)果趨勢一致。

圖 ５ 采用不同載片的放大器的熱成像

３.２ 仿真與測試結(jié)果對比

由于實(shí)際測試時(shí)，散熱器通過導(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)際測試結(jié)果。將實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可知仿真值與實(shí)測值誤差在 ３％之內(nèi)，如表 ２ 所示。實(shí)測和仿真結(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 ３ 不同載片材料封裝的芯片結(jié)溫

４ 金剛石與其他材料的散熱性能對比

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，對封裝放大器進(jìn)行溫度評估預(yù)測。按照 ２.１ 節(jié)邊界條件設(shè)置， 對芯片熱耗為 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)溫對比情況。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)溫幾乎沒有差別，但 ＷＣｕ１５ 密度高， Ｘ 射線不能穿透，燒結(jié)后無法進(jìn)行空洞率檢測， 因此ＭｏＣｕ３０ 是更好的選擇；ＣＰＣ 載片與 ＭｏＣｕ３０ 載片相對應(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 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 材料僅能滿足 ６０ Ｗ 左右熱耗的散熱，ＣＰＣ 材料能滿足６５ Ｗ熱耗的散熱，ＴＵ１ 材料能滿足 ７０ Ｗ 熱耗的散熱，而金剛石可滿足將近 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)溫差距越來越大，散熱效果越來越顯著。因此針對大功率器件，金剛石的散熱優(yōu)勢尤為突出。

圖 ６ 采用不同載片材料的芯片結(jié)溫隨熱耗的變化曲線

５ 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。本文通過有限元仿真與紅外測試相結(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)行了對比，結(jié)果表明金剛石散熱效果最好， 可滿足近 １００ Ｗ 熱耗的散熱需求。基于降額考慮， 這對延長芯片使用壽命， 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。 ? ?

來源：《半導(dǎo)體技術(shù)》 封裝、檢測與設(shè)備

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 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． 中國電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所 ４． 專用集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 編輯：黃飛

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