封装型GaN高电子迁移率晶体管热设计的优化因素

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Optimization Factors for the Thermal Design of Packaged GaN High-Electron-Mobility Transistors

GaN HEMT热阻分析显示，焊料、基板和缓冲层分别占总热阻的2%、28%和63%。优化建议包括采用高导热银胶或AuSn焊料，以及单晶金刚石基板可降低热阻21%。缓冲层厚度需根据偏置条件优化，纳米粒子辅助拉曼热力学验证了热流分布与器件结构的关系，为GaN MMIC热设计提供理论依据。

　　

摘要：

在本研究中，利用微拉曼测温技术和电热建模方法，分析了安装在高功率CuMo基封装材料上的单指状GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的结到散热器的热阻（Rth）。分析结果表明，芯片粘接材料、基板和半绝缘缓冲层分别占总热阻的2%、28%和63%。为了降低器件的热阻，建议使用导热系数较高的银环氧树脂（22 W/m·K）或AuSn焊料（57 W/m·K）作为芯片粘接材料。仿真结果显示，与标准GaN-on-SiC HEMT相比，使用单晶金刚石作为基板可使热阻降低21%。在缓冲层设计方面，较薄的半绝缘GaN缓冲层在完全导通的偏压条件下能够降低热阻；而在部分截止的偏压条件下，将缓冲层厚度从1.8 μm减小到400 nm会导致通道温度峰值升高约10%。这一发现通过在不同通道长度的转移长度法（TLM）结构上进行纳米颗粒辅助拉曼测温实验得到了验证，表明优化缓冲层厚度时需要考虑热流分布和器件几何形状。仿真结果还表明，在GaN-on-SiC HEMT的顶面沉积多晶金刚石散热层可使其热阻降低17%。本研究的结果为GaN单片微波集成电路（MMICs）的热设计优化提供了有益的见解。