高性能系統(tǒng)的氮化鎵熱分析

摘要：本論文討論了Qorvo公司針對高性能微波GaN HEMT器件和MMIC采用的基于建模、實證測量(包括微區(qū)拉曼熱成像)和有限元分析(FEA)的綜合熱設(shè)計方法，該方法極為有效，且經(jīng)過實證檢驗。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。

　　系統(tǒng)對放大器輸出功率的要求越來越高，這推動了固態(tài)技術(shù)的持續(xù)進步。與此同時，推動技術(shù)進步的應(yīng)用也取得了長足的發(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5W/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)了一種包括芯片級電氣建模、實證測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：

　　熱建模和實證測量，包括微區(qū)拉曼測量;

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

　　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公司改進型封裝選項，包括銅基GaN和塑封GaN

1 熱建模和實證測量

　　為構(gòu)建特定工藝的基準(zhǔn)熱模型，使用場效應(yīng)晶體管的非線性模型進行GaN器件的電氣仿真，以獲得針對發(fā)熱量的估算數(shù)據(jù)，從而對熱性能做出初步預(yù)測。然后對器件進行物理制造與測試。

　　通過電氣測量和微區(qū)拉曼測量收集實證熱數(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)，可實現(xiàn)亞微米空間內(nèi)的溫度測量，時間分辨率可達納秒級別。它探測材料中由溫度引起的、聲子相對于基準(zhǔn)聲子頻率的偏移(基準(zhǔn)聲子頻率在環(huán)境溫度下測定)。更多有關(guān)微區(qū)拉曼熱成像的實驗設(shè)置與應(yīng)用詳情請參見^[1-2]。

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

　　包括微區(qū)拉曼和電氣測量在內(nèi)的組合式測量法應(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。

　　采用測量數(shù)據(jù)作為實證基準(zhǔn)可構(gòu)建FEA模型;該模型可用作熱性能建模和預(yù)測的基準(zhǔn)。微區(qū)拉曼測量和FEA之間通常需多次迭代才能構(gòu)建模型，進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，以便正確加速和測量器件壽命。該測得的壽命數(shù)據(jù)用于構(gòu)建器件可靠性Arrhenius曲線。如今的GaN晶體管的柵長尺寸小至0.15μm及以下，這意味著微區(qū)拉曼熱成像依然對部分區(qū)域進行了均化計算。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)合了平均失效時間(MTTF)曲線與產(chǎn)品級熱分析數(shù)據(jù)，可精準(zhǔn)預(yù)測產(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)測產(chǎn)品級溝道溫度和熱阻。FEA始于芯片級仿真，經(jīng)過封裝級直至系統(tǒng)級，并在此對封裝產(chǎn)品進行更高裝配級別的檢驗。

　　建模與測量熱生成和熱消散時，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，這些不實際的預(yù)測和測量經(jīng)常會導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計在數(shù)據(jù)手冊中顯示工作良好，但在實際應(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。因此，當(dāng)對GaN活躍區(qū)域進行測量時，會與溫度較低的非活躍區(qū)域進行平均。換言之，假設(shè)對僅有0.25μm寬度的區(qū)域進行紅外測量，則測得的溫度讀數(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測量的空間分辨率理論極限值可通過瑞利判據(jù)計算得到：

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

　　為了演示測量GaN器件時紅外分辨率限制的影響，在此構(gòu)建了一個GaN器件的半對稱有限元模型。假設(shè)該模型對于y軸左右對稱。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(對此半對稱模型為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。

　　在這個理想示例中，使用紅外熱成像來對通道上方的2.5μm x 2.5μm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齊溝道最熱區(qū)域頂部的一個像素中點所導(dǎo)致的。圖3(b)和3(d)顯示使溝道處于像素成像區(qū)域邊界的像素對齊影響。這種情況下，2.5μm x 2.5μm區(qū)域的平均表面溫度會低估最高通道溫度，低估值超過15℃。使用5μm x 5μm面積會使誤差擴大到21℃。

　　對于GaN熱分析，亞微米工藝可用來制造熱點遠小于0.5μm的晶體管，而紅外顯微鏡只能解析——就完整的細節(jié)而言——振幅大一個數(shù)量級的波。

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

　　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34℃。

　　這會產(chǎn)生另一個挑戰(zhàn)，即涂料對芯片產(chǎn)生介電負荷，它可能難以預(yù)測，且通常是不連續(xù)的。這會改變射頻性能，進而影響精度和可重復(fù)性。

2.2 輔助驗證—射頻測試

　　輔助驗證方法包括在預(yù)計溝道溫度為200℃(舉例而言)的條件下裝配并測試器件。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)。

　　通過多種方法進行熱分析時，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)氧樹脂接點處的熱傳導(dǎo)性與環(huán)氧樹脂數(shù)據(jù)手冊中的一致。首選方法是將焊接性能基準(zhǔn)實證化，然后決定與焊接有關(guān)的環(huán)氧樹脂實際性能，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)氧樹脂接點熱阻抗的重要貢獻因素。如果數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)值用于無接觸電阻的模型中，則會導(dǎo)致熱阻計算的過度優(yōu)化。

3.2 影響器件工作溫度的要素：芯片貼裝性能

　　芯片貼裝熱性能對器件的工作溫度來說是一個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分量。膠層厚度、界面阻抗、空洞和填充特性等都會影響熱阻，且這些因素在很大程度上取決于點膠和固化工藝。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，通常需要進行實驗才能了解芯片貼裝解決方案的工作性能。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第18頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。