氮化镓功率电子器件封装技术研究进展（下）

2． 3 金刚石与 GaN 间的界面热阻

除了在 GaN 表面外延的金刚石质量会影响散热效率外，金刚石和氮化镓材料间的界面热阻( TBＲ) 也是一项重要的参数。

界面热阻又称边界热阻，出现在不同介质之间的界面处，会阻碍热流的传输。其定义为界面处的温差与流过该界面的单位热流之比。热量会在微纳结构芯片和复合热界面材料内部的纳米界面处发生大量的声子散射，大幅阻碍热流传输和扩散，所以 TBＲ 对电子器件的散热问题起着至关重要的作用。

Yates 等分别测试了插入 5 nm 的氮化铝和氮化硅及没有插入层时，氮化镓和金刚石的 TBＲ 大小，利用时域热反射和电子能量损失谱，发现在氮化硅插入层上外延金刚石所得到的 TBＲ 最低。这是由于在界面上形成的 Si-C-N 层避免了氮化镓分解。无插入层和氮化铝插入层的样品由于界面粗糙度变大，增强了声子散射，从而增大了 TBＲ。Sun 等结合瞬态热反射测量、有限元建模和微观结构分析，发现金刚石与氮化镓的TBＲ 主要与用于金刚石种晶的氮化硅插入层的厚度和成核层的质量有关。插入层越薄，成核质量越好，TBＲ 越小。Pomeroy 等将插入层厚度从 90 nm 降低到 50 nm，TBＲ 从 41 ( m2·K) /GW 降低到 17 ( m2·K) /GW。而 Cho 等采用 30 nm 的 SiN 层获得了 29 ( m2·K) /GW 的 TBＲ，说明金刚石成核层的质量也是决定因素，单一地减小插入层的厚度无法最大限度地减小 TBＲ。

2． 4 金刚石盖帽层散热技术

由上所述，HEMT 自热效应主要由沟道 2DEG 产生，热点靠近栅极偏漏极一侧。所以，金刚石散热层如果不作为衬底而是作为更加靠近沟道位置的盖帽层，散热效果会更加显著。Zheng 等通过仿真研究了金刚石层对 AlGaN/GaN HEMT 电学特性的影响，图 21 为器件结构及带有金刚石层的 AlGaN/GaN HEMT 中晶格的温度分布情况及金刚石层对 HEMT 电学特性的影响。

可以看出，热点位置仿真结果与理论分析一致，温度峰值点从无金刚石层的 523 K 降到了 488 K。与常规 HEMT 相比，带有金刚石层的 HEMT 阈值电压明显减小，且跨导增加，这可能是由于在较低的晶格温度下，借助于金刚石层，沟道电子迁移率增加。金刚石薄膜厚度在 1 μm 以下时，fT随着薄膜厚度增加的增长迅速增大，薄膜厚度增加到 1 μm 以上后趋于饱和，由 24． 4 GHz 提高至 31． 5 GHz，提升了 29% ，因此金刚石层是提高器件高频性能的一种有效手段。

Anderson 等实现了上述器件结构，测试得到沟道温度下降 20% ，电学性能得到改善，导通电阻和击穿电压显著提高，栅极漏电流减小。进一步改进直接在氮化镓表面生长沉积的工艺，钝化效果与传统的 SiNx钝化器件效果一致。在此基础上，Zhang 等用有限元方法研究了金刚石层对多指 HEMT 的影响。结果表明，金刚石层可以大大降低结温，且近结区温度变得更加均匀。金刚石层的散热效率随厚度的增加而增加，但增长速率有减缓的趋势。假定热边界电阻( TBＲs) 为 1． 5 × 10 － 8 m2·K·W －1，栅长 20 μm，栅极功率密度为 6 W/mm 的 12 指 GaN-on-Diamond HEMT，20 μm 的金刚石散热层可以使结温从 195． 8 ℃ 降低到172． 2 ℃。在 SiC 衬底上的 HEMT 的温度降低更为显著，可达 25． 3% 。Zhu 等首次通过 Sentaurus TCAD模拟研究了金刚石层对双通道 AlGaN/GaN HEMTs 的影响。结果表明，当功耗增加到 46 W/mm 时，金刚石层厚度为 1 μm 的双通道 AlGaN/GaN HEMTs 的峰值温度可降低 64 K，饱和漏极电流和跨导分别提高了0． 21 A/mm和 22 mS /mm，峰值 fT和 fmax分别提高了 4． 7 GHz 和 10． 3 GHz。

日本富士通公司成功开发了世界上第一项用于在GaN HEMT 表面上生长具有高效散热性能的金刚石膜技术。将直径为几纳米的纳米金刚石颗粒放置在装置的整个表面上，然后将纳米金刚石颗粒暴露于具有高热能的甲烷气体中，以此将甲烷气体中所含的碳转化为金刚石，然后将其掺入颗粒中，碳以其高能量被选择性地掺入指向特定方向的金刚石中，避免了纳米金刚石沿不同晶向生长阻碍热量散出，且实现了上下双层金刚石散热技术，相比单层实现了 77% 的温降，如图 22 所示。

由上可知，金刚石层可以对晶格温度进行调控，使温度更加均匀，从而扩大器件的横向热传导路径，有效抑制器件自热效应引起的晶格温升和器件性能的下降，为GaN HEMT 在高功率运行下的热设计提供了新的路。

3 封装结构及其他几种散热技术

3． 1 封装结构类型及失效机理

不同类型的 GaN 功率器件，根据其内部电路的拓扑结构以及功率等级差异，需要选择不同的封装类型及结构，以保证其优异的电、热性能得以充分发挥。采用的封装形式应在设计集成电路时加以考虑，其中考虑的因素包括管脚数、腔体的尺寸、引脚尺寸、封装的体积、散热性能和封装类型。封装类型分为通孔直插式和表面贴片式，两种封装技术大为不同，各有优缺点。

鲍婕等从 GaN 芯片衬底、芯片与基板互连、基板等封装材料、封装结构以及工艺等角度总结了 GaNHEMT 器件封装技术发展路线。总体趋势是从引线键合的平面封装向无引线的立体封装发展，如无引线的平面式结构、嵌入式结构、晶圆级扇出型结构以及 3D 堆叠结构等; 基板从 PCB 到 DBC 再到二者的混合结构，如图 23 所示。技术上提高封装中各层材料的热导率，在减小寄生电感的同时实现有效散热，尽可能兼容成熟的硅加工技术以降低产品成本，为当前研究的重点内容。

GaN HEMT 封装分为塑封类和陶瓷类两种，其中塑封类包括直插式 TO 系列、引脚表面贴装系列、无引脚的 DFN、QFN、LGA 系列等; 金属和陶瓷类包括 TO 系列、SMD 系列和 CLCC 系列等。目前 GaN HEMT 在驱动系统中使用时一般采用 LGA 封装，可以减小寄生电感和电阻，其他大多数采用的是 TO-220 及 DFN( 双边扁平无铅封装) 封装，如图 24 所示。

两种封装形式各有优缺点，TO-220 封装是大功率晶体管、中小规模集成电路常采用的一种直插式封装形式。分为全包( 塑封) 和半包( 铁封) 两种，其中塑封封装可以实现散热片和外部的电绝缘，铁封封装的散热效果则更好，可以满足电路灵活设计和不同需求。相比贴片式封装，直插式封装散热效果更好，方便增加

散热装置或其他主动冷却设备，且封装质量易测试。但由于其外引脚设计，导致其封装体积较大，且过长的引脚会引入不必要的阻抗容抗，导致开关振荡等问题。DFN 是目前最新的一种表面贴装电子封装工艺，

PCB板的设计需要遵循相应的规则。DFN 封装尺寸小、I/O 数量少节省空间，可减少热路径，具有非常低的阻抗、自感，可满足高速或者微波的应用。但其焊接点质量只能通过 X 光检查，无法使用自动光学检测( AOI) ，因为焊接点只存在于封装塑料主体下方。

电子器件封装过程十分复杂，其过程中产生的缺陷也很多。封装失效机理可分为过应力失效和磨损失效，失效的负载类型又可分为机械、热、电气、辐射和化学负载，如图 25 所示。

3．2 器件封装散热及其他几种散热技术

芯片散热主要有三种传播路径: 传导、对流和辐射，其中 80% 的热量都是通过封装体传导。热量从芯片经由键合材料( 芯片与背面露出框架之间的黏接剂) 传导至背面框架( 焊盘) ，然后通过印刷电路板上的焊料传导至印刷电路板。然后，该热量通过来自印刷基板的对流和辐射传递到大气中。其他途径还包括从芯片通过键合线传递到引线框架、再传递到印刷基板来实现对流和辐射的路径，以及通过芯片封装来实现对流和辐射的路径。

封装框架通过焊料贴合在一个微型散热片上用来冷却芯片，这个微型散热片称为热沉。热沉的表面积对散热效果有很大影响，热沉表面积增大，其与空气之间的热阻减小，热阻与热沉面积的关系如式( 5)所示:

式中: Ｒhs-a为热沉与空气间的热阻; α 为对流系数; A 为热沉总面积。

如图 26 所示为 Färcaş 等用 Solidworks 对三种结构不同的热沉的散热情况进行了模拟，对流系数为15 W/( m2·K) ，P = 13 W，环境温度 60 ℃，导热浆料为 Jetart 纳米银，导热系数为 4． 5 W/( m·K) 。显然热沉结构与空气接触的表面积越大，散热效果越好。

在没有外部散热器的情况下，最有效的散热路径是通过 PCB 的铜板与空气的对流。所以将衬底更换为导热率更高的材料也可以提高器件的散热性能，但目前从金刚石材料制备的研究状况来看，实际应用还需要一段时间。从表 3可以看出，碳化硅材料的热导率及其和氮化镓之间的 TBＲ 仅次于金刚石，且与氮化镓间的晶格失配小。GaN-on-SiC 器件可以在高电压和高漏极电流下运行，相同耗散条件下，SiC 器件的可靠性和使用寿命更好。碳化硅衬底根据电阻率的不同分为导电型和半绝缘型两类，分别外延沉积碳化硅和氮化镓后，用于功率器件和射频器件的制作。

产业界用于功率器件制作的导电型碳化硅衬底以国外美国科锐 Cree、贰陆公司(Ⅱ-Ⅵ) 、道康宁( Dow Corning) ，德国 SiCrystal( 被日本罗姆 Ｒohm 收购) 等公司比较领先。国内企业有天科合达、山东天岳，但市场占有率较低，科锐占据导电型 SiC 衬底市场 62% 的份额。目前受限于衬底制造技术，仍然只能停留在 4 英寸与 6 英寸晶圆，8 英寸还未推广。

Qromis 公司设计了200 mm QST 衬底专利产品，该材料是一种聚合氮化铝，其热膨胀系数与 AlGaN/GaN外延层热膨胀非常接近，为实现非常厚的 GaN 缓冲层提供了路径，包括通过大于 100 μm 的快速生长外延层实现自立式和非常低的位错密度 GaN 衬底，有望用于 900 ～ 1 200 V 器件的缓冲层，使得商用垂直 GaN 功率开关器件和整流器适用于高电压和高电流应用领域。该公司还与比利时微电子中心 IMEC 合作，开发出高性能增强型 p-GaN 功率器件，其阈值电压可达到2． 8 V。Genns 等成功在200 mm QST 衬底上制备出 650 Vp-GaN HEMT，阈值电压高达 3． 6 V，导通电阻为 15 Ω·mm，150 ℃工况下，漏级关态漏电流小于 1 μA/mm。

Yan 等将石墨烯覆盖在碳化硅衬底的 AlGaN/GaN HEMT 上，使用微拉曼光谱法测得器件热点温度下降了 20 ℃。Li 等将氮化镓键合到多层石墨烯构成的高导热复合材料( GC) 上，估算出 GaN/GC 间的热边界电导( TBC) 为 67 MW/( m2·K) 。与市面上的 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 晶体管相比，GaN-on-GC 功率晶体管表现出优越性，并且热性能得到大幅改善。

Mohanty 等通过深度反应离子刻蚀将 Si 基 HEMT 衬底刻出微沟槽结构，然后用电镀工艺填充高导热材料铜，提升了器件的散热性能。其饱和电流提升了 17% ，热点温度可降低 22 ℃。Zhao 等利用电镀技术成功将 HEMT 从 Si 衬底转移到铜基片上，表面形态几乎未受影响且不存在较大的应力，与 Si 上的电特性相同，但具有更好的散热性能。Wang 等采用层转移的方式制备了柔性的 HEMT，并通过电镀与 150 μm的铜膜集成，研究了 HEMT 的应变效应。在弯曲向下和弯曲向上的测试条件下，分别测得电流变化量为3． 4% 和 － 4． 3% ，阈值电压也发生了改变。这表明施加应变引起的压电极化电荷改变了沟道中 2DEG 的密度，从而导致漏极电流的变化。如果使用较大的压电负常数的材料作为势垒层，则极化电荷变化更大，电流调制也更大。美国德州仪器公司( TI) 设计了一款顶部冷却 QFN 封装结构，其顶部有一个暴露的铜热板，通过将散热器或冷板直接贴合在封装顶部实现。不仅为器件提供有效的散热通道，同时降低了 PCB 板上的应力，测试其热阻可降低 20% ～ 30% 。

Cheng 等设计了一种在 Si 衬底上集成 V 槽铜基和 TO-3P 引线框架的 HEMT 新型封装结构，如图27 所示。与传统封装相比，V 形槽基板不仅为横向导热提供了额外的热通道，还可以实现精确定位。该显微组织为满足热要求而进行表面冷却，并在相似的封装尺寸下获得了比普通金属更低的封装热阻。当芯片通过导电涂料到铜基的热阻降低时，晶体管侧的热扩散得到改善。在相同的驱动条件下，与 DIP 封装相比，该方法的热阻降低了 19． 6% 。

Lu 等设计了一种新型封装，将氮化镓裸芯片直接嵌入 PCB 板及 DBC 基板之间用于热提取，使用无压银烧结连接设备终端。封装结构如图 28 所示，并通过制备( 650 V，150 A) GaN HEMT 的单片封装和双片半桥模块验证了该方法。封装的仿真结果显示功率回路寄生电感小于 0． 5 nH，结点到外壳的热阻小于 0． 2 ℃ /W。

Li 等提出了一种适用于无焊丝的横向 GaN HEMT 集成方案。采用双面 DPC 基片和多铜层结构。如图 29 所示，氮化镓芯片夹在两 DPC 基板之间，以实现双面冷却。通过优化布局，采用磁场抵消和屏蔽层技术进一步降低寄生参数。由于增加了陶瓷基板，该结构相比传统键合线结构可以承受更高且更少的热机械应力。以此制备的 650 V/30 A 功率模块，与传统单面散热模块相比热阻降低 30% ～ 48% ，功率回路和栅回路电感降低到 0． 94 nH 和 2 nH，漏源电压最大 dv/dt 可达 150 V/ns，功率密度为 820 W/in3，峰值功率达到98． 85% 。

传统功率半导体器件互联技术一般采用无铅钎料或 Sn 基含铅的热界面材料，将热沉、基底和器件紧密结合在一起，再通过铝线或金线键合，但这些材料都不适合在高温工作条件下使用。主要原因是材料会因温度的大幅度变化发生蠕变造成焊点失效，或合金材料使半导体与元器件之间产生热应力导致损坏。

一种导热率高且抗疲劳的热界面材料对器件的散热效率也是至关重要的。低温烧结纳米银糊因其较高的熔化温度，比传统焊料和胶膜具有更好的热/电导率，可用于需要高温操作和高散热能力的芯片连接。

与传统焊接工艺和焊料相比，银烧结技术与出色的导热性能结合，可将可靠性提高 4 倍。纳米银的主要特点就是低温烧结、高温工作，烧结温度可低至 150 ℃，甚至室温。且金属银具有高的热导率和良好的导电性，以及抗腐蚀性和抗蠕变能力。纳米银焊料焊芯的结温比 AuSn 钎料低近 20 ℃，约下降 16． 7% 。

Yu 等对无压低温固化纳米银钎焊膏的剪切强度、孔隙率和导热系数进行了研究。实验结果表明: 纳米银焊接件的平均剪切强度为 3． 65 MPa。纳米银钎焊的芯片空隙率小于 10% 。纳米银钎焊结合层的导热性能优于共晶( Au80 Sn20 ) 焊料。经过 100 倍的温度冲击试验( － 55 ～ + 125 ℃ ) ，功放元件性能稳定，无分层、输出功率降低等性能退化。因此，纳米银钎焊膏作为大功率器件的黏接材料，具有可靠的连接强度、良好的导热性和导电性。

贺利氏电子 mAgic DA295A 无压烧结银使用微米级片状银粉来烧结，如图 30 和表 4 所示，与纳米粉相比，此工艺确保了更高的良率和更宽的工艺窗口及更低的成本，烧结温度低至 200 ℃，且达到低于 5% 的空洞率。

4 结语与展望

AlGaN/GaN HEMT 器件是重要的电力电子器件之一，由于其高频、高功率密度等特性，有着广泛的应用前景，但其可靠性仍然会受到封装体寄生效应、散热问题的影响。本文综述了国内外对于 GaN HEMT 器件降低寄生电感及封装散热关键技术问题的研究现状，为充分发挥 GaN 材料的优良特性，提高 GaN HEMT 器件的可靠性提供了有价值的参考。基于金刚石出色的导热性能，将其应用于 GaN HEMT 器件中可以实现有效的散热，本文对目前的应用研究成果进行了分析和讨论，对高导热金刚石材料增强 GaN HEMT 器件可靠性的研究具有一定的指导意义。

针对功率器件可靠性的相关问题，GaN 基 HEMT 可以从以下几方面继续取得突破进展: ( 1) 针对不同类型的开关振荡，研究不同的解决方案，减少过冲及 EMI。通过设计更加优化的 PCB 布局，以减轻或抑制开关振荡。( 2) 设计新型的热沉结构或散热材料，使散热层更加靠近热点位置，进一步降低 TBＲ，增强器件横向散热性能。总之，氮化镓电子器件商业化产品虽然已初步应用，但仍有很大的发展空间，有待深入研究。若能更好地解决以上器件的可靠性问题，GaN 基 HEMT 器件将不仅在功率器件、微波器件领域，而且在传感探测、信息通信、航空航天等领域都有着巨大的发展空间和应用前景。

来源：人工晶体学报 第 51 卷 第 4 期

冯家驹1，2，范亚明2，3，房 丹1，邓旭光2，于国浩2，魏志鹏1，张宝顺2 ( 1． 长春理工大学，高功率半导体激光国家重点实验室，物理学院，长春 130022；2． 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，苏州 215123；3． 江西省纳米技术研究院，纳米器件与工艺研究部暨南昌市先进封测重点实验室，南昌 330200)