【研究】金刚石在GaN功率放大器热设计中的应用

摘要：随着 GaN 功率放大器向小型化、大功率发展， 其热耗不断增加， 散热问题已成为制约功率器件性能提升的重要因素。金刚石热导率高达２ ０００ Ｗ／ （ｍ·Ｋ）， 是一种极具竞争力的新型散热材料， 可用作大功率器件的封装载片。采用不同载片材料对一款热耗为 ５３ Ｗ 的 GaN 功率放大器进行封装。分别采用有限元仿真及红外热成像仪对放大器的芯片结温进行仿真和测试，结果显示， 采用金刚石载片封装的放大器的结温比采用钼铜（ＭｏＣｕ３０） 载片封装的放大器的结温降低了 ３０.０１ ℃ ， 约１８. ６９％。同其他常用载片材料进行进一步对比得出， 在相同工作条件下，采用金刚石载片封装的放大器结温最低， 并且随着热耗增加， 金刚石的散热能力更为突出。在芯片安全工作温度 １７５ ℃以下， 金刚石能满足 GaN 功率放大器 １００ Ｗ 热耗的散热需求。 

关键词：GaN 功率放大器；金刚石材料；有限元仿真；芯片结温；散热能力

０ 引言

金刚石的热导率高达 ２０００ Ｗ／ （ｍ·Ｋ），是自然界中热导率仅次于石墨烯的材料，因此金刚石逐渐成为 GaN  器件封装材料的首选。近年来金刚石作为 GaN  器件的热沉材料和衬底材料，其技术和应用均取得较大进展。２００５ 年，Ｗ.Ｋｏｈ等人指出传统材料的热导率已无法满足高功率密度芯片的散热需求， 新型高热导率材料的开发和应用成为技术关 键。２０１２ 年，Ｍ. Ｊ. Ｔａｄｊｅｒ 等人提出在GaN 基 ＨＥＭＴ 器件上添加金刚石作为衬底材料，实验结果表明添加金刚石后有效降低了器件沟道温度，提高了器件饱和漏源电流。２０２０ 年，孙芮等人使用金刚石作为高功率半导体激光器的过渡热沉，并测试了激光器的输出特性，测试结果为金刚石作为热沉用于封装高功率器件提供了参考。但目前金刚石作为散热材料大多处于实验研究阶段，本文基于实际工程应用， 解决了金刚石表面不易被焊料浸润的问题，并对金刚石与其他材料的散热性能进行了对比，结果表明， 金刚石作为封装材料具有优异的散热性能。

１ 功率放大器的封装结构及材料

图 １ 放大器封装结构模型

为了降低芯片的工作结温，基本理念是提高芯片有源区近端封装体的热导率，通过热传导的方式将热量迅速传输出去，避免热累积效应引起的局部温度升高。图 ２ 为传热模型示意图，可以看出，距离芯片最近的封装结构为载片，因此对超高热导率的载片材料的研制具有重要意义。

GaN 功率器件常用的载片材料有钨铜（ＷＣｕ１５ ）、 钼铜 （ ＭｏＣｕ３０ ）、无氧铜 （ ＴＵ１ ）、铜－钼铜－铜多层复合材料（ Ｃｕ⁃ＭｏＣｕ⁃Ｃｕ， ＣＰＣ）等，传统材料的热导率均较低，GaN 功率放大器最常用的载片材料为钼铜合金 （ＭｏＣｕ３０），其热导率为 １８５ Ｗ／ （ｍ·Ｋ）。

本实验采用高热导率的金刚石作为载片，金刚石载片由中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路重点实验室提供，厚度为 ０.３ ｍｍ，热导率为２０００ Ｗ／ （ｍ·Ｋ），表面粗糙度在 ２ｎｍ 以内，达到国内领先水平，金刚石载片照片如图 ３ 所示。由于金刚石本身是绝缘材料，利用通孔电镀方式实现导通接地，同时解决了金刚石表面可焊性镀层的制备问题，金刚石载片与 Ａｕ８０Ｓｎ２０ 焊料润湿性良好，空洞率控制在 ５％以内。

图 ３ 金刚石载片照片

２ 有限元仿真

２.１ 热仿真模型及边界条件

表 １ 模型各部分材料参数

对特定产品进行有限元热仿真时，应根据相对应的使用条件选择合适的仿真方法。根据 ＧＪＢ５４８Ｂ标准 １０１２ 热性能测试方法进行芯片结温仿真。如图 3 所示，功率放大器安装于温度可控的测试架上， 测试架温度保持在 ７０ ℃ 。仿真按照恒温边界条件模拟散热器的冷却效果，其余外表面与空气进行自然对流， 总热耗为 ５３ Ｗ，分布于芯片的有源区，按照此设置进行连续波条件下的稳态热仿真分析。

２.２ 仿真结果

图 ４ 采用不同载片的放大器的温度场分布仿真结果

３ 测试验证

图 ５ 采用不同载片的放大器的热成像

３.２ 仿真与测试结果对比

４ 金刚石与其他材料的散热性能对比

为进一步验证金刚石载片的散热效果，对芯片热耗为 ２０～１２０ Ｗ 的功率放大器进行热仿真，得到不同载片材料相对应的芯片结温与热耗的关系，如图 ６ 所示。从图中可直观看出， 在 GaN 芯片的最高工作温度 １７５ ℃ 以下， ＷＣｕ１５、ＭＣｕ３０ 材料仅能满足 ６０ Ｗ 左右热耗的散热，ＣＰＣ 材料能满足６５ Ｗ热耗的散热，ＴＵ１ 材料能满足 ７０ Ｗ 热耗的散热，而金刚石可满足将近 １００ Ｗ 热耗的散热需求。而且随功率放大器热耗的增加，金刚石与其他材料的结温差距越来越大，散热效果越来越显著。因此针对大功率器件，金刚石的散热优势尤为突出。