金刚石热沉片对GaN功率放大器热可靠性的提升研究

当前GaN功率放大器持续朝着小型化、高功率密度的方向迭代升级，器件工作过程中的热损耗持续攀升，散热性能不足已成为限制功率器件性能释放、稳定性提升的核心制约因素。金刚石材料具备高达2000 W/（m·K）的超高热导率，是电子封装领域极具应用优势的新型高效散热材料，可作为核心封装载片应用于大功率半导体器件，有效解决器件散热难题，提升整体热可靠性。

本次研究采用标准化器件封装结构开展仿真分析，所选用GaN功率芯片以SiC为基底材料，芯片物理尺寸为5.0 mm×6.65 mm×0.08 mm，有效有源区面积达4.28 mm²。芯片与封装载片之间采用Au80Sn20焊料完成互联焊接，载片整体尺寸为5.0 mm×10.6 mm×0.3 mm，载片与器件盒体则通过In80Pb15Ag5焊料实现连接。为保障仿真结果与实际工况高度契合，本次模型中两类焊料层厚度统一设定为0.05 mm，同时结合工业生产实际，按照5%空洞率标准设置界面接触参数。仿真计算采用六面体网格完成模型划分，整体网格数量约30万，充分保障仿真精度与计算可靠性。

通过有限元热仿真分析，获取了MoCu30与金刚石两种不同载片材料封装的GaN功率放大器温度场分布特征（如图4所示）。仿真结果数据显示，采用传统MoCu30载片封装的器件芯片结温为159.17 ℃，替换为金刚石载片封装后，芯片结温降至126.91 ℃，相较传统材料，器件结温有效下降32.26 ℃，散热降温效果十分显著。

器件量产前开展热仿真分析，可精准预判芯片结温分布状态，完成功率放大器封装结构的温度特性评估与风险预判。本次研究基于既定边界条件，针对热耗53 W的GaN功率放大器，选取WCu15、MoCu30、CPC、TU1、金刚石五种主流载片材料开展对比仿真测试，各材料对应的芯片结温仿真结果如表3所示。测试数据表明，除金刚石材料外，其余四类常规载片材料对应的芯片结温整体差异较小。其中WCu15与MoCu30热导率相近，器件结温基本持平，但WCu15材料密度较高，无法被X射线穿透，烧结成型后难以完成空洞率检测，工艺可控性较差，因此MoCu30成为工业应用中的优选方案；CPC载片与MoCu30载片的散热降温效果基本一致，但CPC材料存在加工流程复杂、生产成本偏高的短板，产业化应用受限；TU1载片相较于MoCu30可实现约12 ℃的结温降幅，但该材料质地偏软，器件封装成型后易出现形变问题，且与GaN芯片的热膨胀系数匹配度较差，长期工作易引发界面失效等可靠性问题。综合对比来看，具备超高导热特性的金刚石载片，相较主流MoCu30载片可实现超30 ℃的结温降幅，散热性能大幅优于各类传统封装载片材料。

为进一步验证金刚石载片在宽功率工况下的散热优势，本次研究针对20～120 W不同热耗区间的GaN功率放大器开展热仿真测试，梳理得到五类载片材料对应的芯片结温与器件热耗的关联变化规律（如图6所示）。测试结果表明，在GaN芯片最高安全工作温度175 ℃的约束条件下，WCu15、MoCu30两类材料仅可适配60 W左右热耗器件的散热需求，CPC材料可满足65 W热耗工况散热，TU1材料适配热耗上限为70 W，而金刚石载片可稳定支撑近100 W热耗器件的散热运行。同时随着器件热耗功率不断提升，金刚石材料与传统材料的结温差值持续扩大，散热增效优势愈发突出，在超大功率半导体器件领域具备不可替代的应用价值。

金刚石凭借优异的导热性能与封装适配性，已成为新一代高端电子封装的重点研究材料，是高可靠功率器件封装的核心潜力材料。本次研究结合有限元仿真与红外测试手段，系统对比了MoCu30常规载片与金刚石新型载片的封装散热性能。实测与仿真数据印证，金刚石载片封装的GaN功率放大器结温可降低30.01 ℃，降温幅度达18.69%。通过多材料、多功率工况的对比验证，证实金刚石材料散热性能最优，可满足近100 W高热耗器件的稳定散热需求，对优化功率器件工作状态、延长芯片服役寿命、提升器件整体热可靠性与工作稳定性具备重要的工程应用意义。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。