摘要：本論文討論了Qorvo公司針對高性能微波GaN HEMT器件和MMIC採用的基於建模、實證測量(包括微區拉曼熱成像)和有限元分析(FEA)的綜合熱設計方法，該方法極為有效，且經過實證檢驗。通過適當解決FEA的邊界條件假設和紅外顯微鏡的局限問題，無論在產品還是最終應用層面上，所得到的模型計算結果都比基於較低功率密度技術的傳統方法的精度更高。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201601/284982.htm系統對放大器輸出功率的要求越來越高，這推動了固態技術的持續進步。與此同時，推動技術進步的應用也取得了長足的發展。僅僅數年前的十幾瓦功率要求現已增加到五十瓦以上。碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)現已成為一種出色的器件製造技術，與傳統砷化鎵(GaAs)贗晶型高電子遷移率電晶體(pHEMT)技術相比，具有高功率密度(典型值大於5W/mm)、高漏極工作電壓(典型值為20V至48V)，及大體相當的增益和漏極效率特性。在較小的電路面積內獲得更多功率的要求促進了GaN功率放大器產品的發展;這類產品無論在產品層面還是系統層面都面臨著散熱難題。
為了充分了解GaN技術的熱影響，人們開發了一種包括晶片級電氣建模、實證測量和有限元分析在內的多要素方法。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;
晶片貼裝方法，包括考慮環氧樹脂相比焊接方式產生的接觸電阻和影響器件工作溫度的晶片貼裝性能;
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
為構建特定工藝的基準熱模型，使用場效應電晶體的非線性模型進行GaN器件的電氣仿真，以獲得針對發熱量的估算數據，從而對熱性能做出初步預測。然後對器件進行物理製造與測試。
通過電氣測量和微區拉曼測量收集實證熱數據。拉曼熱成像是一種基於拉曼散射光譜的非侵入式光學技術，可實現亞微米空間內的溫度測量，時間解析度可達納秒級別。它探測材料中由溫度引起的、聲子相對於基準聲子頻率的偏移(基準聲子頻率在環境溫度下測定)。更多有關微區拉曼熱成像的實驗設置與應用詳情請參見[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。經過改進，能為低至0.5μm以及微米級的深度解析度提供經過驗證、精確且可重複的空間解析度，以實現真實的3D熱成像。傳統紅外熱成像測量所涉及的側向空間均化計算會導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。
包括微區拉曼和電氣測量在內的組合式測量法應與熱仿真一同使用，以獲得有關GaN器件熱屬性的精確信息。
採用測量數據作為實證基準可構建FEA模型;該模型可用作熱性能建模和預測的基準。微區拉曼測量和FEA之間通常需多次迭代才能構建模型，進而為不同幾何尺寸與材料堆疊提供良好相關性。
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境條件，以便正確加速和測量器件壽命。該測得的壽命數據用於構建器件可靠性Arrhenius曲線。如今的GaN電晶體的柵長尺寸小至0.15μm及以下，這意味著微區拉曼熱成像依然對部分區域進行了均化計算。採用本文方法，則這些被平均的數值可反映在熱模型和器件可靠性Arrhenius曲線中。該方法緊密結合了平均失效時間(MTTF)曲線與產品級熱分析數據，可精準預測產品壽命。
2 熱分析
完成基準熱模型開發後，便可利用FEA精準預測產品級溝道溫度和熱阻。FEA始於晶片級仿真，經過封裝級直至系統級，並在此對封裝產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，選擇適當的功率邊界條件並理解這些假設的影響很重要。一般而言，不實際或不恰當的假設發生在設置溫度和熱消散邊界條件時，這些不實際的預測和測量經常會導致產品設計在數據手冊中顯示工作良好，但在實際應用中出現故障。
2.1 紅外顯微鏡的使用和限制
紅外顯微鏡廣泛用於尋找半導體器件中的熱點以確定故障位置。但是，熱特性中的紅外應用受到空間解析度的限制。紅外顯微鏡無法解析GaN電晶體活躍區域那樣小尺寸的點。因此，當對GaN活躍區域進行測量時，會與溫度較低的非活躍區域進行平均。換言之，假設對僅有0.25µm寬度的區域進行紅外測量，則測得的溫度讀數可能比活躍區域的峰值溫度低20-30℃。分立式GaN電晶體的紅外圖示例如圖2所示。
典型的紅外顯微鏡採集中波紅外(MWIR)頻譜光線。MWIR測量的空間解析度理論極限值可通過瑞利判據計算得到：
D = 可解析目標之間的距離;λ = 波長(MWIR為3-5µm);N.A. = 數值孔徑(不可超過1)。
為了演示測量GaN器件時紅外解析度限制的影響，在此構建了一個GaN器件的半對稱有限元模型。假設該模型對於y軸左右對稱。該仿真將器件置於0.040」厚的銅鎢合金基板上，並使用AuSn工藝貼裝晶片。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℃，位於GaN溝道中點(對此半對稱模型為x = 0)。該條件發生在基板表面下方，無法通過紅外熱成像顯現。表1列出了紅外測量記錄的表面區域的最高溫度和平均溫度。這些表面區域如圖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表面區域成像(具有代表性的紅外解析度極限)，得到的測量值低估了峰值溝道溫度，低估值為8-15℃。偏移範圍是由於無法精確對齊溝道最熱區域頂部的一個像素中點所導致的。圖3(b)和3(d)顯示使溝道處於像素成像區域邊界的像素對齊影響。這種情況下，2.5µm x 2.5µm區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℃。
對於GaN熱分析，亞微米工藝可用來製造熱點遠小於0.5μm的電晶體，而紅外顯微鏡只能解析——就完整的細節而言——振幅大一個數量級的波。
此外，紅外熱成像僅測量電晶體的表面溫度，而峰值溫度實際上發生在表面下方的氮化鎵外延層。在半導體材料的熱時間常數高於熱源脈衝寬度的工作情況下，這種測量溫度的降幅將擴大，影響測量溫度範圍。
最後，晶片表面的輻射係數(ε)快速變化。常見的解決方案是在晶片上噴塗啞光黑，以得到接近ε = 1的結果，但無法真正創建一個持續的黑體。
這裡展開討論了上述示例中輻射係數的影響。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℃。
這會產生另一個挑戰，即塗料對晶片產生介電負荷，它可能難以預測，且通常是不連續的。這會改變射頻性能，進而影響精度和可重複性。
2.2 輔助驗證—射頻測試
輔助驗證方法包括在預計溝道溫度為200℃(舉例而言)的條件下裝配並測試器件。如果射頻性能發生偏移，則可能與功率輸出的溫度靈敏性有關。
通過多種方法進行熱分析時，重要的是，須記住適當FEA邊界條件假設的重要性和紅外顯微鏡的局限性，模型輸出在數據手冊和應用中均要更精確可靠。
3 晶片貼裝方法
3.1 考慮環氧樹脂相比焊接方式產生的接觸電阻
導電環氧樹脂與焊接相比，一般可忽略接觸電阻，並且假定環氧樹脂接點處的熱傳導性與環氧樹脂數據手冊中的一致。首選方法是將焊接性能基準實證化，然後決定與焊接有關的環氧樹脂實際性能，以便支持更精確的仿真和權衡取捨研究。這使得接觸電阻成為環氧樹脂接點熱阻抗的重要貢獻因素。如果數據手冊中的數值用於無接觸電阻的模型中，則會導致熱阻計算的過度優化。
3.2 影響器件工作溫度的要素：晶片貼裝性能
晶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，熱建模的挑戰之一是為其找到精確的估值。
晶片貼裝焊接/環氧樹脂供應商通常只列出產品的體導熱率(k)。這只是總晶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於點膠和固化工藝。此外，晶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晶片貼裝解決方案的工作性能。
本文來源於中國科技核心期刊《電子產品世界》2016年第1期第18頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。