石墨烯在GaN基HEMT中的散熱應(yīng)用研究

付玉海 ，周德金 ，鮑婕 1，，許媛 ，徐文藝 ，胡文新 ，黃偉

（1.黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.黃山學(xué)院半導(dǎo)體技術(shù)與微系統(tǒng)研究所，安徽 黃山 245041；3.黃山寶霓二維新材科技有限公司，安徽 黃山 245900；4.黃山市祁門縣新飛電子科技發(fā)展有限公司，安徽 黃山 245600）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品對(duì)器件優(yōu)良性能的要求越來(lái)越高。GaN基高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor, HEMT）具有高功率密度、大電流密度、低噪聲以及良好的頻率特性，這些優(yōu)勢(shì)決定了GaN基HEMT在軍用和民用微波功率器件和電路中有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。GaN基HEMT的輸出功率和工作電壓較高，導(dǎo)通電阻較低，抗干擾能力較強(qiáng)，可以減小系統(tǒng)體積，優(yōu)化系統(tǒng)效率，減小器件的開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的可靠性。

但大功率GaN基HEMT器件仍然存在熱管理問(wèn)題，高溫會(huì)影響器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，且器件的導(dǎo)通電阻會(huì)隨著溫度的升高而增大，使器件性能退化。目前主要采用金剛石襯底GaN散熱技術(shù)、金剛石嵌入式散熱柱、高導(dǎo)熱鈍化層散熱技術(shù)、片內(nèi)微流冷卻散熱技術(shù)以及GaN基倒裝的結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)散熱[5-7]。本文提出將二維新材料石墨烯應(yīng)用于GaN基HEMT芯片表面來(lái)增強(qiáng)GaN基HEMT的散熱能力。

二維新材料石墨烯有多方面的優(yōu)異特性，熱傳導(dǎo)性能尤為突出。石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率，單層懸空的石墨烯熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/（mK），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的金屬散熱材料如銅（約400W/（mK））和鋁（約240 W/（mK）），較高的熱導(dǎo)率和其他方面的優(yōu)異性質(zhì)，使石墨烯成為極具潛力的下一代的散熱和熱管理材料[8-11]。目前國(guó)內(nèi)外已有多家機(jī)構(gòu)將石墨烯應(yīng)用于功率半導(dǎo)體器件的散熱研究。有國(guó)外公司開發(fā)出采用石墨烯熱塑料的大功率LED產(chǎn)品，并顯示了優(yōu)異的散熱性能。Yan等[12]將石墨烯薄片膜應(yīng)用于高功率晶體管電子器件散熱，得出熱點(diǎn)的溫度可以降低約20℃。Bae等[13]將石墨烯基散熱器用于柔性電子器的散熱，顯示出石墨烯散熱層更有效地將熱量逐出器件，提出并測(cè)試了石墨烯散熱器在薄膜芯片封裝中的應(yīng)用。加州大學(xué)聲子優(yōu)化工程材料中心[14]研究得到涂有石墨烯材料的塑料基板比沒(méi)有涂覆的基板導(dǎo)熱率高很多。

1 GaN基HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)

GaN基HEMT器件的封裝一般采用柵格陣列封裝（Land Grid Array, LGA），以金屬觸點(diǎn)式封裝替代了引腳式封裝。這種封裝形式體積小，可靠性高，可以使芯片和PCB之間的距離明顯縮短，使得LGA的電氣性能更加優(yōu)越。但是柵格陣列封裝存在焊點(diǎn)熱疲勞可靠性問(wèn)題，封裝器件在工作過(guò)程中由于功率的損失和環(huán)境溫度的周期性變化，芯片載體和基板、焊點(diǎn)之間的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion,CTE）差異會(huì)使焊點(diǎn)釬料內(nèi)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程,從而引起焊點(diǎn)的熱機(jī)械疲勞破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)LGA器件失效[15]。如圖1所示，典型的LGA封裝結(jié)構(gòu)從下往上依次是翅片散熱器、導(dǎo)熱硅脂、PCB板、焊膏、覆銅陶瓷基板（Direct Bonding Copper, DBC）、芯片、塑封體。用塑封體將芯片塑封后與DBC基板相連，通過(guò)焊膏將帶有芯片的基板與PCB板相連，再通過(guò)導(dǎo)熱硅脂連接翅片散熱器。

根據(jù)此結(jié)構(gòu)通過(guò)建模仿真，建立如圖2所示的GaN基HEMT模型。在仿真軟件中給每層結(jié)構(gòu)附上材料，塑封體采用環(huán)氧樹脂，芯片的材料為GaN，DBC基板為上銅層和下銅層以及中間的氮化鋁陶瓷層，焊膏是Sn63/Pb37，PCB板的材料為FR4，導(dǎo)熱硅脂用環(huán)氧基復(fù)合材料，翅片散熱器采用鋁。

圖1 GaN基HEMT的LGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of LGA package structure of GaN - based HEMT

圖2 GaN基HEMT仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2 GaN- based HEMT simulation structure diagram

2 GaN基HEMT的熱仿真研究及石墨烯的應(yīng)用

2.1 未加石墨烯的器件仿真

在GaN基HEMT的仿真結(jié)構(gòu)里，給HEMT芯片上加載5個(gè)點(diǎn)熱源，模擬芯片上產(chǎn)生的局部熱點(diǎn)，當(dāng)每個(gè)點(diǎn)熱源加載4W功率，即芯片工作在20W時(shí)，計(jì)算得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖3所示。從圖中可以看出HEMT整體結(jié)構(gòu)的溫度范圍為，最高溫度在芯片處。圖4所示是此時(shí)芯片表面的溫度分布圖，熱量集中在熱點(diǎn)周圍，其中芯片中心處溫度最高，達(dá)到。依次給HEMT芯片加載1-20W的功率，計(jì)算器件整體結(jié)構(gòu)的溫度分布，得到芯片最高溫度隨功率變化的關(guān)系如圖5所示。由圖可以得出，隨著加載功率的增大，芯片的最高溫度逐漸升高，在實(shí)際應(yīng)用中，功率越大，器件溫度越高，一旦熱量無(wú)法及時(shí)散出，會(huì)對(duì)整個(gè)器件的可靠性和使用壽命造成嚴(yán)重?fù)p害。

圖3 未加石墨烯時(shí)HEMT器件整體溫度分布圖Fig.3 Temperature profile of HEMT device without graphene

圖4 未加石墨烯時(shí)芯片表面溫度Fig.4 Surface temperature of chip without graphene

圖5 未加石墨烯時(shí)HEMT器件最高溫度與功率關(guān)系圖Fig.5 The relationship between temperature and power of HEMT device without graphene

2.2 石墨烯應(yīng)用于芯片正面的器件仿真

為了降低HEMT器件的最高溫度，將具有高導(dǎo)熱的石墨烯應(yīng)用于此結(jié)構(gòu)，在HEMT芯片的正面鋪設(shè)一層石墨烯薄膜，同樣給芯片上5個(gè)點(diǎn)熱源加載共20W的功率，計(jì)算整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的溫度分布，如圖6所示，得出器件整體封裝結(jié)構(gòu)的溫度范圍為31.8℃-149℃。石墨烯的應(yīng)用使得芯片表面的溫度迅速橫向散開，最高溫度有明顯的降低，這就可以保證器件不會(huì)因溫度過(guò)高而造成使用壽命的縮短。圖7中芯片的溫度分布可以看到局部熱點(diǎn)的熱量橫向擴(kuò)散明顯，最高溫度從之前163℃的降到了149℃，在沒(méi)有鋪設(shè)石墨烯薄膜時(shí)，芯片的熱量主要是通過(guò)縱向往下散開，在鋪設(shè)石墨烯薄膜后，芯片的熱量先迅速沿橫向散開，再?gòu)目v向傳輸，即應(yīng)用石墨烯后，通過(guò)改變散熱路徑，從而加快了芯片熱量的傳輸。再分別給芯片加載1-20W的功率，計(jì)算HEMT器件整體結(jié)構(gòu)的溫度分布，得到應(yīng)用石墨烯后器件整體結(jié)構(gòu)的最高溫度隨功率變化關(guān)系如圖8所示，隨著加載功率的增大，芯片的最高溫度逐漸升高，但應(yīng)用石墨烯后，器件的最高溫度相比于未應(yīng)用石墨烯時(shí)有明顯的降低。

圖6 加載石墨烯后HEMT器件結(jié)構(gòu)的溫度分布圖Fig.6 Temperature profile of HEMT device with graphene

圖7 加載石墨烯后芯片表面溫度Fig.7 Surface temperature of chip with graphene

2.3 石墨烯應(yīng)用于芯片背面的器件仿真

圖8 加載石墨烯后HEMT器件溫度與功率關(guān)系圖Fig.8 The relationship between temperature and power of HEMT device with graphene

為了研究石墨烯薄膜放置的位置是否影響器件的散熱效果，將石墨烯薄膜放置于HEMT芯片的背面，再仿真計(jì)算HEMT器件整體結(jié)構(gòu)的溫度分布，得到石墨烯應(yīng)用于芯片背面的溫度分布如圖9所示。石墨烯應(yīng)用于芯片背面時(shí)，器件的最高溫度相比于未應(yīng)用石墨烯時(shí)有所降低，如表1所示，但沒(méi)有將其應(yīng)用于芯片正面效果明顯。圖10中給出了石墨烯加載在不同位置以及加載前后芯片最高溫度隨功率的變化，可以得出，功率越大，石墨烯的散熱效果越為顯著，并且石墨烯用于芯片正面比用于芯片背面的散熱效果更佳，這是由于芯片的熱量集中在芯片正表面，溫度較高，上面的塑封材料熱傳導(dǎo)性能較差，石墨烯的橫向熱傳導(dǎo)能力可以明顯改變熱量的傳輸角度，而熱量傳輸?shù)叫酒趁妫偻ㄟ^(guò)DBC襯板、焊料傳到PCB板和散熱器，這是HEMT器件封裝結(jié)構(gòu)的主要散熱路徑，石墨烯的橫向傳熱作用帶來(lái)的效果沒(méi)有將其放置在芯片正面明顯。因此，石墨烯薄膜放置于芯片的正面是最優(yōu)的應(yīng)用方案。

表1 石墨烯放置不同位置芯片最高溫度Table 1 Maximum Temperature of Chip with Graphene at Different Positions

圖9 石墨烯用于芯片背面時(shí)HEMT器件溫度分布圖Fig.9 Temperature profile of HEMT device with graphene used on the backside of the chip

圖10 加載石墨烯前后芯片最高溫度變化Fig.10 Changes of maximum chip temperature before and after graphene loaded

綜上分析，利用石墨烯的橫向高熱導(dǎo)率這一特點(diǎn)，將其應(yīng)用于GaN基HEMT器件封裝結(jié)構(gòu)中，增加了芯片表面橫向的熱量擴(kuò)散，改變了目前傳統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的傳熱路徑，器件的最高溫度有明顯的降低。同時(shí)，對(duì)比放置在不同位置的溫度分布，石墨烯應(yīng)用于芯片正面時(shí)的散熱效果最佳。

3 結(jié)論

石墨烯的應(yīng)用增強(qiáng)了整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的散熱性能，在傳統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改善了傳統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的不足，解決了GaN基HEMT器件的熱管理問(wèn)題，將新型二維材料石墨烯應(yīng)用于器件封裝結(jié)構(gòu)中，屬于新的散熱方式，可以推廣到其它類似的電力電子器件中，具有重要的工程價(jià)值。