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行進一步對比得出， 在相同工作條件下，采用金剛石載片封裝的放大器結(jié)溫[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 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，實驗結(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驗研究階段，本文基于實際工程應(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

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。

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）。

本實驗采用高熱導(dǎo)率的金剛石作為載片，金剛石載片由中國電子科技集團公司第十三研究所專用集成電路重點實驗室提供，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現(xiàn)導(dǎo)通接地，同時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

表 １ 模型各部分材料參數(shù)

對特定產(chǎn)品進行有限元熱仿真時，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標準 １０１２ 熱性能測試方法進行芯片結(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分布仿真結(jié)果

３ 測試驗證

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

４ 金剛石與其他材料的散熱性能對比

為進一步驗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[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。