高性能系統(tǒng)的氮化鎵熱分析

Dylan Murdock Mark C.Woods

摘要：本論文討論了Qorvo公司針對(duì)高性能微波GaN HEMT器件和MMIC采用的基于建模、實(shí)證測(cè)量（包括微區(qū)拉曼熱成像）和有限元分析（FEA）的綜合熱設(shè)計(jì)方法，該方法極為有效，且經(jīng)過實(shí)證檢驗(yàn)。通過適當(dāng)解決FEA的邊界條件假設(shè)和紅外顯微鏡的局限問題，無論在產(chǎn)品還是最終應(yīng)用層面上，所得到的模型計(jì)算結(jié)果都比基于較低功率密度技術(shù)的傳統(tǒng)方法的精度更高。

關(guān)鍵詞：熱建模；熱分析；芯片貼裝方法；Qorvo公司

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.003

系統(tǒng)對(duì)放大器輸出功率的要求越來越高，這推動(dòng)了固態(tài)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。與此同時(shí)，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。僅僅數(shù)年前的十幾瓦功率要求現(xiàn)已增加到五十瓦以上。碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）現(xiàn)已成為一種出色的器件制造技術(shù)，與傳統(tǒng)砷化鎵（GaAs）贗晶型高電子遷移率晶體管（pHEMT）技術(shù)相比，具有高功率密度（典型值大于SW/mm）、高漏極工作電壓（典型值為20V至48V），及大體相當(dāng)?shù)脑鲆婧吐O效率特性。在較小的電路面積內(nèi)獲得更多功率的要求促進(jìn)了GaN功率放大器產(chǎn)品的發(fā)展：這類產(chǎn)品無論在產(chǎn)品層面還是系統(tǒng)層面都面臨著散熱難題。

為了充分了解GaN技術(shù)的熱影響，人們開發(fā)了一種包括芯片級(jí)電氣建模、實(shí)證測(cè)量和有限元分析在內(nèi)的多要素方法。本文將分四部分討論這種GaN熱分析方法：

熱建模和實(shí)證測(cè)量，包括微區(qū)拉曼測(cè)量；

熱分析，包括有限元分析（FEA）、紅外顯微鏡的使用和局限，以射頻測(cè)試輔助驗(yàn)證；

芯片貼裝方法，包括考慮環(huán)氧樹脂相比焊接方式產(chǎn)生的接觸電阻和影響器件工作溫度的芯片貼裝性能；

以及Qorvo公司改進(jìn)型封裝選項(xiàng)，包括銅基GaN和塑封GaN；

1 熱建模和實(shí)證測(cè)量

為構(gòu)建特定工藝的基準(zhǔn)熱模型，使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的菲線性模型進(jìn)行GaN器件的電氣仿真，以獲得針對(duì)發(fā)熱量的估算數(shù)據(jù)，從而對(duì)熱性能做出初步預(yù)測(cè)。然后對(duì)器件進(jìn)行物理制造與測(cè)試。

通過電氣測(cè)量和微區(qū)拉曼測(cè)量收集實(shí)證熱數(shù)據(jù)。拉曼熱成像是一種基于拉曼散射光譜的非侵入式光學(xué)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)亞微米空間內(nèi)的溫度測(cè)量，時(shí)間分辨率可達(dá)納秒級(jí)別。它探測(cè)材料中由溫度引起的、聲子相對(duì)于基準(zhǔn)聲子頻率的偏移（基準(zhǔn)聲子頻率在環(huán)境溫度下測(cè)定）。更多有關(guān)微區(qū)拉曼熱成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置與應(yīng)用詳情請(qǐng)參見^[1-2]。

拉曼熱成像已成為針對(duì)較小物理尺寸的一種重要的高精度測(cè)量方案。經(jīng)過改進(jìn)，能為低至0.5μm以及微米級(jí)的深度分辨率提供經(jīng)過驗(yàn)證、精確且可重復(fù)的空間分辨率，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的3D熱成像。傳統(tǒng)紅外熱成像測(cè)量所涉及的側(cè)向空間均化計(jì)算會(huì)導(dǎo)致低估器件峰值溫度，拉曼熱成像針對(duì)這一情況進(jìn)行了改進(jìn)，以下將展開討論。

包括微區(qū)拉曼和電氣測(cè)量在內(nèi)的組合式測(cè)量法應(yīng)與熱仿真一同使用、以獲得有關(guān)GaN器件熱屬性的精確信息。

采用測(cè)量數(shù)據(jù)作為實(shí)證基準(zhǔn)可構(gòu)建FEA模型：該模型可用作熱性能建模和預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)。微區(qū)拉曼測(cè)量和FEA之間通常需多次迭代才能構(gòu)建模型，迸而為不同幾何尺寸與材料堆疊提供良好相關(guān)性。

有限元仿真用來確定在特定高溫下器件工作所需的功率和環(huán)境條件，以便正確加速和測(cè)量器件壽命。該測(cè)得的壽命數(shù)據(jù)用于構(gòu)建器件可靠性Arrhenius曲線。如今的GaN晶體管的柵長(zhǎng)尺寸小至0.15μm及以下，這意味著微區(qū)拉曼熱成像依然對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行了均化計(jì)算。采用本文方法，則這些被平均的數(shù)值可反映在熱模型和器件可靠性Arrhenius曲線中。該方法緊密結(jié)合了平均失效時(shí)間（MTTF）曲線與產(chǎn)品級(jí)熱分析數(shù)據(jù)，可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命。

2熱分析

完成基準(zhǔn)熱模型開發(fā)后，便可利用FEA精準(zhǔn)預(yù)測(cè)產(chǎn)品級(jí)溝道溫度和熱阻。FEA始于芯片級(jí)仿真，經(jīng)過封裝級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)，并在此對(duì)封裝產(chǎn)品進(jìn)行更高裝配級(jí)別的檢驗(yàn)。

建模與測(cè)量熱生成和熱消散時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)墓β蔬吔鐥l件并理解這些假設(shè)的影響很重要。一般而言，不實(shí)際或不恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)發(fā)生在設(shè)置溫度和熱消散邊界條件時(shí)，這些不實(shí)際的預(yù)測(cè)和測(cè)量經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示工作良好，但在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障。

2.1 紅外顯微鏡的使用和限制

紅外顯微鏡廣泛用于尋找半導(dǎo)體器件中的熱點(diǎn)以確定故障位置。但是，熱特性中的紅外應(yīng)用受到空間分辨率的限制。紅外顯微鏡無法解析GaN晶體管活躍區(qū)域那樣小尺寸的點(diǎn)。因此，當(dāng)對(duì)GaN活躍區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)與溫度較低的菲活躍區(qū)域進(jìn)行平均。換言之，假設(shè)對(duì)僅有0.25μm寬度的區(qū)域進(jìn)行紅外測(cè)量，則測(cè)得的溫度讀數(shù)可能比活躍區(qū)域的峰值溫度低20-30℃。分立式GaN晶體管的紅外圖示例如圖2所示。

典型的紅外顯微鏡采集中波紅外（MWIR）頻譜光線。MWIR測(cè)量的空間分辨率理論極限值可通過瑞利判據(jù)計(jì)算得到：

D：0.61λ/N.A.

D=可解析目標(biāo)之間的距離；λ=波長(zhǎng)（MWIR為3-5μm）；N.A.=數(shù)值孔徑（不可超過1）。

為了演示測(cè)量GaN器件時(shí)紅外分辨率限制的影響，在此構(gòu)建了一個(gè)GaN器件的半對(duì)稱有限元模型。假設(shè)該模型對(duì)于y軸左右對(duì)稱。該仿真將器件置于0.040”厚的銅鎢合金基板上，并使用AuSn工藝貼裝芯片。在CuW基板上施加85℃邊界條件。

在溝道下方施加典型的GaN器件容積熱載荷，得到的3D溫度場(chǎng)如圖2（a）的等高線圖所示，相應(yīng)的表面溫度如圖2（b）所示。

仿真期間記錄的峰值溫度為204℃，位于GaN溝道中點(diǎn)（對(duì)此半對(duì)稱模型為x=0）。該條件發(fā)生在基板表面下方，無法通過紅外熱成像顯現(xiàn)。表1列出了紅外測(cè)量記錄的表面區(qū)域的最高溫度和平均溫度。這些表面區(qū)域如圖3（a）到3（d）所示。

在這個(gè)理想示例中，使用紅外熱成像來對(duì)通道上方的2.5μmx2.5μm表面區(qū)域成像（具有代表性的紅外分辨率極限），得到的測(cè)量值低估了峰值溝道溫度，低估值為8-15℃。偏移范圍是由于無法精確對(duì)齊溝道最熱區(qū)域頂部的一個(gè)像素中點(diǎn)所導(dǎo)致的。圖3（b）和3（d）顯示使溝道處于像素成像區(qū)域邊界的像素對(duì)齊影響。這種情況下，2.5μm x2.5μm區(qū)域的平均表面溫度會(huì)低估最高通道溫度，低估值超過15℃。使用5μm x 5μm面積會(huì)使誤差擴(kuò)大到21℃。

對(duì)于GaN熱分析，亞微米工藝可用來制造熱點(diǎn)遠(yuǎn)小于0.5μm的晶體管、而紅外顯微鏡只能解析——就完整的細(xì)節(jié)而言——振幅大一個(gè)數(shù)量級(jí)的波。

此外，紅外熱成像僅測(cè)量晶體管的表面溫度，而峰值溫度實(shí)際上發(fā)生在表面下方的氮化鎵外延層。在半導(dǎo)體材料的熱時(shí)間常數(shù)高于熱源脈沖寬度的工作情況下，這種測(cè)量溫度的降幅將擴(kuò)大、影響測(cè)量溫度范圍。

最后，芯片表面的輻射系數(shù)（ε）快速變化。常見的解決方案是在芯片上噴涂啞光黑，以得到接近ε=1的結(jié)果，但無法真正創(chuàng)建一個(gè)持續(xù)的黑體。

這里展開討論了上述示例中輻射系數(shù)的影響。假定測(cè)量面積為理想小面積，可以看到紅外熱成像低估了峰值GaN通道溫度，低估值高達(dá)34℃。

這會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)挑戰(zhàn)，即涂料對(duì)芯片產(chǎn)生介電負(fù)荷，它可能難以預(yù)測(cè)，且通常是不連續(xù)的。這會(huì)改變射頻性能，進(jìn)而影響精度和可重復(fù)性。

2.2 輔助驗(yàn)——射頻測(cè)試

輔助驗(yàn)證方法包括在預(yù)計(jì)溝道溫度為200℃（舉例而言）的條件下裝配并測(cè)試器件。如果射頻性能發(fā)生偏移，則可能與功率輸出的溫度靈敏性有關(guān)。

通過多種方法進(jìn)行熱分析時(shí)，重要的是，須記住適當(dāng)FEA邊界條件假設(shè)的重要性和紅外顯微鏡的局限性，模型輸出在數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用中均要更精確可靠。

3芯片貼裝方法

3.1考慮環(huán)氧樹脂相比焊接方式產(chǎn)生的接觸電阻

導(dǎo)電環(huán)氧樹脂與焊接相比，一般可忽略接觸電阻，并且假定環(huán)氧樹脂接點(diǎn)處的熱傳導(dǎo)性與環(huán)氧樹脂數(shù)據(jù)手冊(cè)中的一致。首選方法是將焊接性能基準(zhǔn)實(shí)證化，然后決定與焊接有關(guān)的環(huán)氧樹脂實(shí)際性能，以便支持更精確的仿真和權(quán)衡取舍研究。這使得接觸電阻成為環(huán)氧樹脂接點(diǎn)熱阻抗的重要貢獻(xiàn)因素。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)值用于無接觸電阻的模型中，則會(huì)導(dǎo)致熱阻計(jì)算的過度優(yōu)化。

3.2影響器件工作溫度的要素：芯片貼裝性能

芯片貼裝熱性能對(duì)器件的工作溫度來說是一個(gè)非常重要的影響因素，熱建模的挑戰(zhàn)之一是為其找到精確的估值。

芯片貼裝焊接/環(huán)氧樹脂供應(yīng)商通常只列出產(chǎn)品的體導(dǎo)熱率（k）。這只是總芯片貼裝熱阻抗的一個(gè)分量。膠層厚度、界面阻抗、空洞和填充特性等都會(huì)影響熱阻，且這些因素在很大程度上取決于點(diǎn)膠和固化工藝。此外，芯片貼裝完整性與性能受材料屬性和被黏合的兩種材料的表面特性所影響，通常需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能了解芯片貼裝解決方案的工作性能。

圖4展示了膠層厚度、體導(dǎo)熱率和總芯片貼裝熱阻之間的關(guān)系。

圖5展示了精確芯片貼裝性能數(shù)據(jù)的重要性。圖中，GaN功率放大器芯片采用典型QFN封裝建模。最大溝道溫度針對(duì)芯片貼裝熱阻抗（R_D/A”）進(jìn)行繪制。

隨著R_D/A”接近于零（即芯片貼裝性能提升），最高溝道溫度（T_CH）下降，接近芯片和QFN基板的傳導(dǎo)熱阻所確定的限值。左側(cè)垂直虛線表示完全由測(cè)得的膠層厚度（L）和供應(yīng)商提供的體熱導(dǎo)率數(shù)值（k）計(jì)算得到的R_D/A”。右側(cè)垂直虛線表示實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的R_D/A”。

就該特定芯片/封裝組合而言，不考慮界面阻抗時(shí)，T_CH低估了40℃。

本模型的芯片工作時(shí)P_DISS=23W。如果計(jì)算得到總封裝熱阻R_θ，則忽略界面阻抗時(shí)得到的錯(cuò)誤值為：

R_θ=（T_CH-T_BASE/P_DISS=（180℃-100℃）/23W=3.5℃/w

而實(shí)際封裝熱阻可更為精確地表示為：

R_θ=（T_CH-T_BASE/P_DISS=（220℃-100℃）/23W =5.2C/W

4 Qorvo公司改進(jìn)封裝選項(xiàng)

Qorvo公司在滿足全球GaN技術(shù)要求方面處于業(yè)界領(lǐng)先地位，制定了豐富完善的研發(fā)計(jì)劃，并發(fā)布了大量基于GaN標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。隨著GaN技術(shù)的發(fā)展及其功率潛能逐漸為人所實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的半導(dǎo)體封裝技術(shù)已經(jīng)難以有效支持高功率GaN產(chǎn)品。在此背景下，Qorvo公司開發(fā)了改進(jìn)型封裝選項(xiàng)，為不斷擴(kuò)展的軍事和商業(yè)GaN應(yīng)用提供完整的產(chǎn)品解決方案。Qorvo公司用于高性能系統(tǒng)的最新GaN封裝選項(xiàng)有銅基GaN和塑封GaN，它們呈現(xiàn)于2014年發(fā)布的大量產(chǎn)品之中。

4.1銅基GaN

銅封裝可實(shí)現(xiàn)高可靠性、高功率、大芯片尺寸，目前此類需求正不斷增加。Qorvo公司開發(fā)了包含引腳的銅法蘭封裝（通常稱為模塊）可處理極高功率，同時(shí)可輕松調(diào)節(jié)以滿足小尺寸、大尺寸、多芯片和元器件的要求。銅法蘭相對(duì)于低CTE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（比如CuW和CuMo）的熱性能非常出色，同時(shí)可增加系統(tǒng)級(jí)可靠性，允許焊接至高CTE散熱片。

4.2塑封GaN

Qorvo公司還提供塑封GaN選項(xiàng)——空腔塑封或超模壓塑封。這些封裝尺寸小、成本低，但依然具有良好的功率容量。塑料封裝的CTE與PCB匹配，因此具有很好的系統(tǒng)級(jí)可靠性。小封裝尺寸和出色的射頻性能使其成為昂貴的法蘭或金屬背板模塊元器件的絕佳替代產(chǎn)品。

5 總結(jié)

總而言之，包括微區(qū)拉曼和電氣測(cè)量在內(nèi)的組合式熱測(cè)量法精度高，且應(yīng)當(dāng)與熱仿真一同使用，以獲得有關(guān)GaN器件熱性能的精確信息。使用這種綜合方法可實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系的MTTF曲線和產(chǎn)品級(jí)熱仿真。

其他重要的考慮因素有：針對(duì)高性能系統(tǒng)的高級(jí)封裝選項(xiàng)、環(huán)氧樹脂相比焊接時(shí)的接觸電阻，以及影響器件工作溫度的芯片貼裝性能。

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