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)２ ０００ 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[敏感詞]， 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。 

關(guān)鍵詞：GaN 功率放大器；金剛石材料；有限元仿真；芯片結(jié)溫；散熱能力

０ 引言

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[敏感詞]。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。

１ 功率放大器的封裝結(jié)構(gòu)及材料

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。

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(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

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 3 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

圖 ４ 采用不同載片的放大器的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果

３ 測(cè)試驗(yàn)證

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

４ 金剛石與其他材料的散熱性能對(duì)比

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[敏感詞]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(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。