如今，如何更有效地散熱限制了大多數(shù)高功率模擬設(shè)備的性能。在目前所知物質(zhì)中，金剛石具有最高的熱導(dǎo)率，許多高性能應(yīng)用試圖將金剛石材料結(jié)合到IC基板或封裝中以改善散熱性能。在本文中，我們總結(jié)了許多利用金剛石材料的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和現(xiàn)有產(chǎn)品，涵蓋了三個(gè)主題：金剛石基GaN、金剛石無(wú)源器件和金剛石封裝。

       金剛石基GaN

       TriQuint（現(xiàn)為Qorvo）于2013年4月宣布與布里斯托爾大學(xué)、Group 4實(shí)驗(yàn)室和洛克希德·馬丁公司合作，在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的近結(jié)熱傳導(dǎo)（Near JunctionThermal Transport，NJTT）項(xiàng)目資助下，生產(chǎn)出了第一批金剛石基GaN晶圓制成的高電子遷移率晶體管（HEMT）。NJTT是DARPA嵌入式冷卻計(jì)劃的第一項(xiàng)計(jì)劃，其中包括ICECool基礎(chǔ)和ICECool應(yīng)用程序研發(fā)項(xiàng)目。NJTT使用各種冷卻技術(shù)專注于晶體管結(jié)點(diǎn)附近的器件熱阻。

       這項(xiàng)工作的結(jié)果表明，器件散熱效果提高了三倍，同時(shí)保留了RF性能。這種改進(jìn)歸因于這種金剛石基的GaN工藝的熱阻降低了40％，仿真結(jié)果表明功率放大器的柵極密度（或輸出功率）增加了約3倍1?，F(xiàn)在，Qorvo與DARPA和洛克希德·馬丁公司在SiC基GaN晶體管的微流體冷卻技術(shù)上繼續(xù)開(kāi)展合作。

       與此同時(shí)，雷神公司一直在同一個(gè)DARPA項(xiàng)目下工作，并開(kāi)發(fā)出了一種在金剛石基板上通過(guò)蝕刻實(shí)現(xiàn)冷卻通道的方法，再將金剛石基板與晶圓連接，避免了在金剛石基板上生長(zhǎng)GaN的一些加工問(wèn)題，同時(shí)可以增加液體冷卻。雷神公司使用乙二醇/水冷卻劑流過(guò)100微米的通道流過(guò)HEMT高溫區(qū)域2。雷神公司對(duì)SiC基GaN進(jìn)行薄化處理，并將其連接到蝕刻著冷卻通道的金剛石基板上。冷卻通道具有高縱橫比，利用高通道可以實(shí)現(xiàn)冷卻面積的最大化。

       雷神公司展示了一款寬帶連續(xù)波（CW）放大器，其輸出功率和功率密度是目前用于下一代電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)的基準(zhǔn)放大器的3.1倍和4.8倍2。在未來(lái)幾年內(nèi)雷神公司計(jì)劃將ICECool技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推出投入生產(chǎn)。

       2017年，富士通公司和富士通實(shí)驗(yàn)室宣布開(kāi)發(fā)出第一種在室溫下將單晶金剛石鍵合到SiC基板上的技術(shù)。這克服了之前在非常高的溫度下進(jìn)行GaN與金剛石鍵合時(shí)的最大挑戰(zhàn)之一：由于熱膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配而導(dǎo)致的晶片彎曲。

       通過(guò)用極薄的金屬膜保護(hù)金剛石表面，富士通成功地防止了損傷層的形成，并通過(guò)“室溫鍵合”技術(shù)將單晶金剛石鍵合到SiC襯底上。使用實(shí)際測(cè)量的熱參數(shù)進(jìn)行仿真確認(rèn)使用該技術(shù)的器件熱阻將降低至現(xiàn)有的61％。該技術(shù)保證了GaN功率放大器在應(yīng)用于氣象雷達(dá)等系統(tǒng)時(shí)能夠以約1.5倍的更高功率工作。

       2017年3月，RFHIC宣布他們已從元素六公司收購(gòu)了金剛石基GaN技術(shù)，并計(jì)劃在2018年底前將該工藝商業(yè)化。自2016年以來(lái)，他們一直在使用金剛石基GaN技術(shù)，并在其聲明中稱“在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，RFHIC將與元素六和代工合作伙伴密切合作，實(shí)現(xiàn)10,000個(gè)6英寸金剛石基GaN的年產(chǎn)出。RFHIC的技術(shù)路線圖是在2018年底前發(fā)布覆蓋40 GHz的金剛石基GaN解決方案?！?/p>

       參考文獻(xiàn)

       1.       F.Ejeckam, D. Francis, F. Faili, F. Lowe, J. Wilman, T. Mollart, J. Dodson, D.Twitchen, B. Bolliger and D. Babic, “GaN on Diamond: The Next GaN,” MicrowaveJournal, May 12, 2014.

       2.       C.Adams, “Beating the Heat for Emerging Electronics,” Avionics Today,April/May 2018.

       高性能金剛石基GaN放大器的商業(yè)化之路

       RFHIC，韓國(guó)

        多年來(lái)，由于優(yōu)異的熱導(dǎo)率（1500 W/mK），金剛石已被許多研究人員和公司用于散熱器應(yīng)用。研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)的SiC基GaN相比，使用金剛石散熱器，射頻性能將提高20％。

       2014年，元素六（Element Six）收購(gòu)了Group 4公司，目標(biāo)是改善金剛石基氮化鎵（GoDi）外延片性能，主要是化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石層的質(zhì)量和熱特性。CVD金剛石沉積工藝的顯著改善使得許多研究人員成功地利用金剛石作為襯底將GaN晶體管的功率密度提升了三倍1。

       隨著整個(gè)市場(chǎng)對(duì)不斷提高的功率密度、更小的外形尺寸和更好的射頻性能的需求的增加，RFHIC在2016年與Akash Systems合作，從元素六獲得了與GoDi技術(shù)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。圖1為4英寸的GoDi外延片照片。該工藝涉及去除硅基GaN晶圓的硅襯底的相關(guān)技術(shù)，采用該技術(shù)可以使CVD金剛石層直接沉積在GaN表面上。

圖1：4英寸金剛石基GaN晶圓

       過(guò)去研發(fā)和報(bào)道的GoDi HEMT器件表現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能和射頻性能，但大多數(shù)工作都使用小晶圓（小于4英寸）進(jìn)行制造。在RFHIC的代工合作伙伴的幫助下，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)4英寸GoDiHEMT的制造。利用標(biāo)準(zhǔn)SiC基GaN工藝流程，只需做極少的工藝修改就可實(shí)現(xiàn)GaN HEMT的工藝生產(chǎn)流程。由于GoDi HEMT晶圓很?。s120μm厚），因此必須開(kāi)發(fā)出能夠承受各種工藝的特殊載體鍵合技術(shù)。

       由于金剛石是最硬的自然物質(zhì)，因此無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)刀片或蝕刻工藝進(jìn)行劃線和鉆孔。因而RFHIC開(kāi)展了利用激光劃線和鉆孔的研究。RFHIC成功地利用激光鉆孔實(shí)現(xiàn)了60微米寬槽。RFHIC還在研究開(kāi)發(fā)新的等離子蝕刻工藝，該工藝可顯著提升鉆孔工藝。

       目前，4英寸晶圓正處于加工的最后階段，2018年6月將獲得測(cè)量結(jié)果。后續(xù)文章將報(bào)道這些研究工作的詳細(xì)結(jié)果。

       參考文獻(xiàn)

       1.    F. Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J.Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D. Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: ABrief History,” Lester Eastman Conference on High Performance Devices,August 5-7 2014, DOI: 10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number:14775316.

       2.    M. Wu, D. Hou and W.S. Lee, “Fabrication of4-in. GaN/Diamond HEMT in a Compound Semiconductor Foundry,” CS Mantech2018, Austin, Texas.

       應(yīng)用于衛(wèi)星通信的高效散熱金剛石基GaN功率放大器

       Felix Ejeckam, Ty Mitchell, Kris Kong andPaul Saunier, Akash Systems Inc., San Francisco, Calif.

        最先進(jìn)的商用衛(wèi)星以100至200 Mbps的速率向地球傳輸數(shù)據(jù)；一些先進(jìn)的大型衛(wèi)星的理想目標(biāo)是1到4Gbps。這些數(shù)據(jù)速率基本上受制于發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器。Akash正在建造首個(gè)小型衛(wèi)星系統(tǒng)（12U），預(yù)計(jì)下行數(shù)據(jù)速率為14 Gbps。下一個(gè)演示將實(shí)現(xiàn)超過(guò)100 Gbps的數(shù)據(jù)速率。最終的技術(shù)目標(biāo)是通過(guò)使用金剛石基GaN RF功率放大器，在中型衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)1 Tbps的下行鏈路數(shù)據(jù)速率。

        金剛石基GaN

       Akash Systems公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Felix Ejeckam于2003年發(fā)明了金剛石基GaN1，實(shí)現(xiàn)了從GaN晶體管中最熱的位置有效提取熱量?；靖拍钍禽^冷的GaN放大器可以使系統(tǒng)更節(jié)能、更少浪費(fèi)。在金剛石基GaN晶圓上，GaN溝道或外延從其原始Si襯底上剝離并通過(guò)35nm的SiN界面層結(jié)合在CVD金剛石襯底上。這種納米級(jí)的200℃的GaN溝道與具導(dǎo)熱性的工業(yè)材料CVD金剛石相結(jié)合，大大降低了放大器襯底與通道之間的溫度上升。圖2顯示了在金剛石晶圓上制造GaN的工藝流程。多年來(lái)，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)量化了上述熱改進(jìn)2。SiHEMT晶片上的GaN與臨時(shí)Si載體結(jié)合。蝕刻掉原始的Si襯底，然后通過(guò)GaN下面的35nm界面層CVD沉積金剛石。最后，蝕刻掉臨時(shí)Si載體。然后將最終的金剛石基GaN晶圓加工成HEMT或MMIC陣列。

圖2：金剛石基GaN的工藝流程

       系統(tǒng)影響

       與SiC基GaN相比，如果GaN MMIC的溫度升高可以減小40％到50％，那么可在更小的體積內(nèi)獲得更大的功率密度3。功率是衛(wèi)星下行鏈路數(shù)據(jù)速率預(yù)算中的直接參數(shù)；如果有更多的電能，就可以傳輸更多的信息。金剛石基GaN可以在非常緊湊的空間內(nèi)放寬冷卻要求，因?yàn)榄h(huán)境溫度可以比典型的SiC功率放大器系統(tǒng)上升得更高，而不會(huì)影響性能或可靠性。冷卻裝置的減少也意味著減輕重量和尺寸，這也是將衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射到軌道所花費(fèi)成本中的關(guān)鍵因素。

        性能

       Akash設(shè)計(jì)人員最近在K波段上展示了高性能金剛石基GaN晶體管（即簡(jiǎn)化功率放大器），在20 GHz時(shí)具有60％的功效（PAE）（見(jiàn)圖3）。在由DARPA資助并由喬治亞理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校和元素六公司的一組研究人員執(zhí)行的另一項(xiàng)工作中，與SiC基GaN的相同器件相比，金剛石基GaN器件的溫度從GaN通道到基板底部的溫度變化減少了80℃。這項(xiàng)工作使用的晶圓與Akash Systems使用的是同一金剛石基GaN工藝。

圖3：一個(gè)2.9 W (5.6 W/mm) HEMT樣片可以達(dá)到61%的功效，此時(shí)增益為7.9dB。偏置電壓為24V。

       圖4給出了對(duì)于金剛石晶片上的各種類型的GaN，從10指HEMT的中心到邊緣的通道的溫度分布。Akash Systems使用“具有低熱邊界電阻（TBR）的梯度金剛石”工藝實(shí)現(xiàn)金剛石基GaN晶圓（綠色）。該曲線記錄了152℃的峰值溫度（第一個(gè)峰值）。在同一位置，SiC基GaN器件的溫度為232℃2。

圖4：圖表顯示了對(duì)于金剛石晶片上的各種類型的GaN，從10指HEMT的中心到邊緣的通道的溫度分布。

       Akash Systems公司計(jì)劃于2019年發(fā)射一個(gè)LEO軌道24千克12U的（36厘米x 24厘米x 23厘米）衛(wèi)星系統(tǒng)，它將包含一個(gè)基于金剛石基GaN功率放大器的20瓦無(wú)線電發(fā)射機(jī)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)里程碑意義的14 Gbps數(shù)據(jù)速率，對(duì)于這樣尺寸的衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是絕無(wú)僅有的。

       參考文獻(xiàn)：

       1.       F.Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J. Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D.Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: A Brief History,” Lester EastmanConference on High Performance Devices, August 5–7 2014, DOI:10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number: 14775316.

       2.       L.Yates, A. Sood, Z. Cheng, T. Bougher, K. Malcom, J. Cho, M. Asheghi, K.Goodson, M. Goorsky, F. Faili, D.J. Twitchen and S. Graham, “Characterizationof the Thermal Conductivity of CVD Diamond for GaN on Diamond Devices,” CompoundSemiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS) 2016 IEEE, pp. 1–4.

       3.       G.D.Via, J.G. Felbinger, J. Blevins, K. Chabak, G. Jessen, J. Gillespie, R. Fitch,A. Crespo, K. Sutherlin, B. Poling, S. Tetlak, R. Gilbert, T. Cooper, R.Baranyai, J.W. Pomeroy, M. Kuball, J.J. Maurer and A. Bar-Cohen, “Wafer-ScaleGaN HEMT Performance Enhancement by Diamond Substrate Integration,” 10th InternationalConference on Nitride Semiconductors, August 25-30, 2013, Washington, D.C.

       高功率金剛石無(wú)源器件

       超小型高功率金剛石射頻電阻器

       Smiths Interconnect, Stuart, Fla.

       在過(guò)去的幾十年中，氧化鈹（BeO）和氮化鋁（AlN）已成為高功率射頻電阻器的首選基板材料。這些陶瓷材料具有較高的熱導(dǎo)率，足以滿足許多應(yīng)用；然而，由于設(shè)計(jì)人員在追求更高頻率的同時(shí)面臨著許多SWaP-C（尺寸、重量、功率、成本）挑戰(zhàn)，BeO和AlN基板通常并不合適。為了尋求替代技術(shù)，射頻工程師已轉(zhuǎn)向使用基于CVD金剛石的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些需求。

       CVD金剛石是使用化學(xué)氣相沉積工藝生產(chǎn)的單晶碳基底材料。從結(jié)構(gòu)上看，2型合成CVD金剛石基板就像天然金剛石一樣，可以與常規(guī)射頻基板材料采用類似工藝加工形成電路。Smiths Interconnect的CVD金剛石薄膜的新進(jìn)展通過(guò)在CVD金剛石基板上濺射氮化鉭（TaN），從而形成了一系列超小型、高性能的電阻器、匹配器和衰減器，稱為金剛石射頻電阻器（Diamond RF Resistives）。導(dǎo)體材料也被濺射到CVD金剛石上，以形成共晶焊料和引線鍵合焊盤，使這些電路可以方便地實(shí)現(xiàn)如表面貼裝、芯片綁定以及法蘭等多種安裝方式。

       在薄膜材料和芯片下方的接地平面之間會(huì)產(chǎn)生電容。由于基板尺寸與電容值之間直接相關(guān)，典型的CVD金剛石薄膜電阻器耗散相同熱量下占用面積減少了8倍（見(jiàn)圖5）。此外，由于電容水平與高功率/高頻性能的關(guān)系，使用這種材料制造的元件不僅在每平方毫米更高的頻率下展示出高功率處理能力，而且還表現(xiàn)出更低的寄生性能，即更好的隔離。例如，在CVD金剛石基板上制造的單個(gè)0402電阻器可以消耗20 W功率的連續(xù)波和200 W功率的脈沖。

圖5：金剛石電阻器。

       當(dāng)前受益于該技術(shù)的應(yīng)用包括先進(jìn)的Wilkinson功分器/合路器、隔離器、雙結(jié)環(huán)行器/雙工器和放大器反饋網(wǎng)絡(luò)。作為空間系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，雷達(dá)和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施繼續(xù)推動(dòng)無(wú)源電阻器的性能提升。未來(lái)幾年，Smiths Interconnect將在射頻微波系統(tǒng)的各個(gè)方面繼續(xù)為工程師提供基于CVD金剛石基板的新型金剛石電阻器以及SWaP-C解決方案。

       化學(xué)氣相沉積金剛石無(wú)源器件

       Res-Net Microwave, Clearwater, Fla.

        化學(xué)氣相沉積法合成的金剛石具有出色的熱導(dǎo)率，是銅的三至四倍。另外，化學(xué)氣相沉積金剛石的低介電常數(shù)使它成為高頻率和高功率應(yīng)用中極好的射頻介質(zhì)材料。化學(xué)氣相沉積金剛石和標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷基板的功率密度對(duì)比在圖6中給出。

圖6：化學(xué)氣相沉積金剛石和標(biāo)準(zhǔn)陶瓷基板的功率密度對(duì)比。

       化學(xué)氣相沉積金剛石的機(jī)械特性和電特性都非常適合用來(lái)制作無(wú)源器件，比如電阻器、負(fù)載和衰減器。利用化學(xué)氣相沉積材料和現(xiàn)成的薄膜處理技術(shù)，這些無(wú)源器件可以經(jīng)受最有挑戰(zhàn)性的空間環(huán)境。因此，這些器件被用于許多航空航天、軍事和商業(yè)應(yīng)用中。

       化學(xué)氣相沉積材料的高熱導(dǎo)率使得小型芯片的設(shè)計(jì)成為可能，這些小型器件可以工作在40GHz以上并保持10瓦以上的連續(xù)功耗。此外，對(duì)于連續(xù)波應(yīng)用，這些無(wú)源器件也非常適用于脈沖功率應(yīng)用。Res-Net制造了金剛石電阻器、負(fù)載和衰減器。樣品電阻器的頻率范圍包括從直流到30GHz，直流到30GHz范圍內(nèi)最大功率20瓦，直流到18GHz范圍內(nèi)最大功率150瓦。負(fù)載范圍覆蓋直流到25GHz，直流到16GHz時(shí)最大功率300瓦，直流到25GHz時(shí)最大功率50瓦。

       金剛石基封裝

       用于氮化鎵器件的鋁-金剛石金屬基散熱器

       Kevin Loutfy, Nano Materials International Corp., Tucson, Ariz.

       高功率射頻和微波晶體管長(zhǎng)期使用各種高導(dǎo)熱率材料作為基板材料和熱載體，包括熱導(dǎo)率為400W/mK的銅、銅-鎢（200W/mK）、銅-鉬（250W/mK）以及銅-鉬-銅（350W/mK）。對(duì)于氮化鎵器件，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400W/mK的碳化硅是大多數(shù)高性能器件的基板材料。

       然而，工業(yè)級(jí)合成金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)要高很多，范圍從1200W/mK到2000W/mK，這使得被消除的熱量比其他任何材料都多。近年來(lái)，氮化鎵器件生產(chǎn)廠家對(duì)氮化鎵分立器件和MMIC器件作為基板和散熱片顯著提高的性能越來(lái)越感興趣。目前，在金剛石基板上使用氮化鎵的器件不多，但由納米材料國(guó)際公司（NMIC）生產(chǎn)的鋁合金-金剛石金屬基復(fù)合材料（MMC）在各種不同種類的金屬基復(fù)合材料上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛（如圖7）。

圖7：不同尺寸的鋁-金剛石MMC。

       鋁-金剛石MMC散熱器位于模具或封裝的下面，無(wú)論基板材料的導(dǎo)熱系數(shù)是不是大約500W/mK均可以使用。鋁-金剛石可以在壓合工藝中有效發(fā)揮作用，其產(chǎn)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的散熱器材料。NMIC的鋁-金剛石復(fù)合材料采用的是一種滲入到工業(yè)級(jí)金剛石顆粒封裝中的鋁合金合成物。

       金剛石可以提供優(yōu)異的導(dǎo)熱性，鋁提供結(jié)構(gòu)和CTE分配，以及非常光滑的表面，在頂部和底部作為碳化硅堆疊連接面。NMIC生產(chǎn)鋁-金剛石復(fù)合材料的工藝流程如圖8。滲透過(guò)程產(chǎn)生的鋁-金剛石板，稱為“母板”，從母板上切割多個(gè)零件，用鋁-金剛石復(fù)合材料進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以滿足零件尺寸要求，這就減少了母板在切割過(guò)程中產(chǎn)生的廢料。然后這些零件被鍍鎳和鍍金以生產(chǎn)最終產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在一定的挑戰(zhàn)，與兩種材料之間的接觸面有關(guān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，NMIC提出一種技術(shù)用于將金剛石的表面轉(zhuǎn)化成碳化硅，這項(xiàng)技術(shù)已被該公司申請(qǐng)專利。

圖8：NMIC的鋁-金剛石MMC的生產(chǎn)過(guò)程。

       在過(guò)去的幾年里，這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)變得非常有特色，鋁-金剛石復(fù)合材料都是低成本高效益的，并且可以在大尺寸如45mm×45mm應(yīng)用，遠(yuǎn)大于其他金剛石基替代品，那些替代品的應(yīng)用均受限于其尺寸或厚度。客戶在高可靠性和太空級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景中的密封包裝和非密封包裝時(shí)均可使用該復(fù)合材料，這些應(yīng)用場(chǎng)景都有嚴(yán)格的熱循環(huán)要求。

       除了高熱導(dǎo)率，穩(wěn)定的CTE對(duì)于一個(gè)連接到晶體管封裝上的材料來(lái)說(shuō)也是必不可少的。鋁-金剛石的CTE與其他工程材料的CTE相等，但在尺寸較大的情況下，鋁-金剛石的穩(wěn)定性使其脫穎而出，其CTE為6.5-7.5ppm/K，接近氮化鎵。

       在短短幾年時(shí)間里，對(duì)鋁-金剛石復(fù)合材料的改進(jìn)使這項(xiàng)技術(shù)變成了一種能夠替代其他散熱材料的技術(shù)。它利用了金剛石固有的高導(dǎo)熱率，同時(shí)還可以大量制造和提供比單獨(dú)金剛石更好的CTE性能。

       用于氮化鎵太空應(yīng)用的金剛石-銀復(fù)合封裝

       Richard Mumford，《Microwave Journal》國(guó)際編輯

       作為歐盟Framework Programme 7的一部分，從2010年10月1日至2012年3月31日開(kāi)展的先進(jìn)氮化鎵封裝項(xiàng)目的目標(biāo)是太空應(yīng)用，使歐洲能夠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的航天工業(yè)中保持強(qiáng)大的地位。布里斯托爾大學(xué)、Plamsee SE、聯(lián)合單片半導(dǎo)體公司和Thales Alenia Space在合作成果中，強(qiáng)調(diào)了對(duì)金剛石-銀基板材料的研究1。提出了一種新型的氮化鎵電子器件封裝方案，用于高效提取高功率器件所需的熱量，首次說(shuō)明了以金剛石-銀復(fù)合材料作為封裝基板對(duì)氮化鎵器件自加熱的影響。

       由銀合金基體中的金剛石顆粒組成的金剛石-銀復(fù)合材料在室溫下具有高達(dá)650W/mK的優(yōu)異導(dǎo)熱率，且CTE接近半導(dǎo)體材料，明顯大于傳統(tǒng)封裝材料如CuW的導(dǎo)熱率。

       在這項(xiàng)研究中，在AlGaN/GaN多叉指HEMT（18叉指的電源板）上進(jìn)行了微拉曼熱成像測(cè)量，以確定不同功率水平下的器件溫度。該裝置通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的AuSn焊料連接到金剛石-銀復(fù)合材料和CuW基板上。為了評(píng)估兩種材料在熱管理效率方面的差異，圖9給出了不同功率值時(shí)器件中心叉指處拉曼測(cè)量的溫度。即器件峰值溫度升高，而背后的基板溫度保持在25攝氏度。

       圖9：AlGaN/GaN HEMT器件（18叉指電源板）焊接到金剛石-銀復(fù)合材料和CuW基板時(shí)，中心叉指的峰值溫升與耗散功率的函數(shù)關(guān)系。

       安裝在金剛石-銀復(fù)合基板上的器件的峰值溫度大約是安裝在CuW基板上的器件的峰值溫度的一半，特別是在高功率情況下，這是器件工作的標(biāo)準(zhǔn)。外面叉指的溫度也有同樣的趨勢(shì)。然而由于串?dāng)_效應(yīng)，中心叉指的溫度更高。

       此外，從熱提取的角度來(lái)看，也存在明顯的改善，對(duì)設(shè)備可靠性和系統(tǒng)需求有明顯的好處。該裝置的三維有限元模型被建立起來(lái)進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖10展示了與CuW基板上的溫度分布相比，整個(gè)裝置上的金剛石-銀的溫度分布。同樣的，在鍍金剛石-銀復(fù)合材料的設(shè)備中，溫度有明顯降低。

       圖10：耗散功率為30W的AlGaN/GaN HEMT（18叉指電源板）溫度分布。（a）焊接在CuW基板上的器件；（b）焊接在金剛石復(fù)合材料基板上的器件1。

       該項(xiàng)目的最終報(bào)告稱：“L波段HPA已經(jīng)取得了最先進(jìn)的成果，反映了基板材料對(duì)射頻功率模塊的強(qiáng)大影響。在L波段可以獲得高達(dá)65%的PAE以及180W的射頻功率，而無(wú)需調(diào)整使用金剛石-銀基板材料的功率模塊。對(duì)于CuW標(biāo)準(zhǔn)微封裝的類似設(shè)計(jì)，PAE的增益約為10個(gè)點(diǎn)。”

       參考文獻(xiàn)

       1.M. Faqir, T. Batten, T. Mrotzek, S. Knippscheer, L. Chalumeau, M. Massiot, M.Buchta, J. Thorpe, H. Blanck, S. Rochette, O. Vendier and M. Kuball, “NovelPackaging Solutions for GaN Power Electronics: Silver-Diamond CompositePackages,” CS MANTECH Conference, May 2010。