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金刚石热沉在 GaN 大功率器件热管理中的应用

时间:2024-03-27浏览次数:110

GaN 作为第三代半导体材料,具有更高的自发极化系数及更大的压电系数,能承受更高的功率密度,适用于高频、高温大功率电子器件。但随着功率器件向小型化和大功率发展,芯片有源区的热积累效应使 GaN 器件的大功率性能优势远未得到充分发挥。当器件温度上升时,器件特性如漏源电流、增益、输出功率和寿命等会出现退化,甚至失效。研究表明,结温每升高 10~12℃,器件的寿命及可靠性会降低 50%,散热问题已经成为限制 GaN 功率器件发展的主要瓶颈之一,为解决此问题,提出了多种降低器件温度的散热方式,其中新型电子封装材料的研究开发成为解决 GaN 功率器件散热问题的技术关键。

 

金刚石的热导率高达 2000 W/(m·K),目前已知自然界材料中热导率最高材料,因此金刚石逐渐成为 GaN 器件封装材料的首选。近年来金刚石作为 GaN 器件的热沉材料和衬底材料,其技术和应用均取得较大进展。

 

研究人员使用金刚石作为高功率半导体激光器的过渡热沉,并测试了激光器的输出特性,结果表明,金刚石作为封装材料具有优异的散热性能,测试结果为金刚石作为热沉用于封装高功率器件提供了参考。

 

实验采用不同载片材料对一款热耗为 53 W 的 GaN 功率放大器进行封装。分别采用有限元仿真及红外热成像仪对放大器的芯片结温进行仿真和测试,结果显示,采用金刚石载片封装的放大器的结温比采用钼铜(MoCu30)载片封装的放大器的结温降低了 30.01℃,约 18.69%。同其他常用载片材料进行进一步对比得出,在相同工作条件下,采用金刚石载片封装的放大器结温最低,并且随着热耗增加,金刚石的散热能力更为突出。在芯片安全工作温度 175℃以下,金刚石能满足 GaN 功率放大器 100 W 热耗的散热需求。

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金刚石作为新一代电子封装材料,是最有潜力的封装材料之一。化合积电致力于金刚石材料生产研发和销售,掌握最前沿的大功率半导体器件热管理解决方案,现已有成熟产品:金刚石晶圆金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等,其中金刚石热沉片的热导率高达1000-2200W/(m.k),完全可以满足大功率半导体器件衬底或热沉的要求。


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