随着 GaN 功率放大器向小型化、大功率发展，其热耗不断增加，散热问题已成为制约功率器件性能提升的重要因素。金刚石热导率高达2 000 W/ ( m·K) ，是一种极具竞争力的新型散热材料，可用作大功率器件的封装载片。
在封装结构中，GaN 功率芯片衬底 为 SiC 材 料，芯 片 尺 寸 为 5. 0 mm × 6. 65 mm × 0. 08 mm，有源区面积为 4. 28 mm2 ，芯片与载片通过 Au80Sn20 焊料连接; 载片尺寸为 5. 0 mm × 10. 6 mm×0. 3 mm，载片与盒体通过 In80Pb15Ag5焊料连接。仿真模型中焊料层与实测器件保持一致，厚度为 0. 05 mm，界面接触系数按照 5%空洞率设置。计算模型采用六面体进行网格划分，网格总数约为30 万。
通过热仿真得到两种载片材料封装的功率放大器温度场分布，如图 4 所示。由图可以看出，采用MoCu30 载片的芯片结温为 159. 17 ℃，采用金刚石载片的芯片结温为 126. 91 ℃，金刚石载片较MoCu30 载片封装的放大器结温下降了 32. 26 ℃。
在实际生产之前进行热仿真，能预先模拟出芯片的结温分布，对封装放大器进行温度评估预测。按照 2. 1 节边界条件设置，对芯片热耗为 53 W 的功率放大器进行热仿真。分别采用 5 种载片材料( WCu15、MoCu30、CPC、TU1 和金刚石) 进行热仿真，芯片结温的仿真结果如表 3 所示。从表中可看出相同热耗下 5 种载片材料的芯片结温对比情况。除金刚石以外，采用其他 4 种载片材料的芯片结温相近。其中，MoCu30 和 WCu15 的热导率相近，结温几乎没有差别，但 WCu15 密度高，X 射线不能穿透，烧结后无法进行空洞率检测，因此MoCu30 是更好的选择; CPC 载片与 MoCu30 载片相对应的芯片结温相差不大，但 CPC 加工工艺复杂、成本高; TU1 载片对应的芯片结温比 MoCu30载片降低了约 12 ℃，但是 TU1 材质较软，易产生大形变，且与芯片的热膨胀系数相差较大; 高热导率的金刚石载片相比 MoCu30 载片，芯片结温下降幅度超过 30 ℃，散热能力远远领先于其他所有材料。
为进一步验证金刚石载片的散热效果，对芯片热耗为 20～120 W 的功率放大器进行热仿真，得到不同载片材料相对应的芯片结温与热耗的关系，如图 6 所示。从图中可直观看出，在 GaN 芯片的最高工作温度 175 ℃ 以下，WCu15、MoCu30 材料仅能满足 60 W 左右热耗的散热，CPC 材料能满65 W热耗的散热，TU1 材料能满足 70 W 热耗的散热，而金刚石可满足将近 100 W 热耗的散热需求。而且随功率放大器热耗的增加，金刚石与其他材料的结温差距越来越大，散热效果越来越显著。因此针对大功率器件，金刚石的散热优势尤为突出。
金刚石作为新一代电子封装材料，受到广泛重视，是最有潜力的封装材料之一。本文通过有限元仿真与红外测试相结合的方法，分析了采用常规载片材料 MoCu30 与新型载片材料金刚石载片封装的功率放大器结温。结果显示，金刚石载片封装的放大器结温降低了 30. 01 ℃，约 18. 69%。进一步利用有限元仿真对金刚石与其他 4 种材料在不同热耗条件下的散热效果进行了对比，结果表明金刚石散热效果最好，可满足近 100 W 热耗的散热需求，这对延长芯片使用寿命，提高功率器件热可靠性具有重要意义。
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