我院马盛林教授团队在高功率GaN HEMT器件微通道 直接冷却2.5D集成方法上取得新进展

近期，我院马盛林教授团队为实现GaN HEMT器件的高效散热且保持相对较低的工艺难度，提出了一种面向高功率GaN HEMT器件的微流道直接散热2.5D集成方法。相关成果以“Thermal property evaluation of a 2.5D integration method with device level microchannel direct cooling for a high-power GaN HEMT device”为题发表在《Nature》旗下唯一工程类期刊、仪器仪表领域顶刊《Microsystems and Nanoengineering》上。

直接散热是通过内嵌有四层阶梯式微流道的高阻硅转接板实现的。作者确定并开发了关键工艺，制造并装配了样品。作者使用一个真实的GaN HEMT器件进行了试验，并通过数值仿真验证了试验结果的合理性。结果显示，在有源区平均热通量为5 kW/cm²的情况下，样品最大表面温度为93.8°C。

GaN半导体被广泛用作射频和电力电子器件的衬底，如HEMT器件。这些器件具有较高的电子饱和速度、击穿场强、功率密度和热导率。然而，GaN HEMT的高发热特性使得器件级散热成为亟需解决的关键问题，因为在高温下器件性能或会出现退化甚至失效。随着GaN HEMT器件的不断发展，栅指后热通量可达几十kW/cm²，而整个有源区的平均热通量可超过1000 W/cm²。为保持结温在可接受的范围之内，势必要减少GaN器件和冷板之间的热阻。因此，应将散热器由封装或模块外部移向内部，以减少结区至环境的热阻。由于GaN HEMT器件的主要发热位置在顶面附近，在器件顶面设置无源或有源散热器被认为是一种颇具潜力的热管理方案。虽然这些方案被证明有效，但却影响器件的性能水平，并导致电气互连困难。此外，顶-底双面散热很可能具有更好的散热性能；然而，这种技术的工艺可行性较低，同时会进一步劣化器件性能及增加电气互连的难度。综合考虑散热能力、工艺难度，及对器件的电学性能影响，作者认为基于内嵌式微流道的底面有源散热是面向GaN HEMT器件的最具竞争力方案。

近年来，全球学者设计并研究了各种底面微流道热沉。2015年，美国Raytheon研究团队提出一种在GaN HEMT的复合材料衬底上内嵌微流道的技术方案。该器件通过将金刚石或硅衬底用焊料键合至GaN HEMT器件的SiC衬底构成。仿真结果显示，当GaN HEMT器件栅指区热通量31-38 kW/cm²，器件级平均热通量1-1.25 kW/cm²时，峰值温度可被控制在182-212°C之间。然而，在相关论文发表时，尚未有该技术方案的样品与实验测试结果。2016年，Lockheed Martin研究团队提出一种将GaN HEMT器件装配在分流歧管微流道热沉上的方法，整个SiC衬底被减薄至100μm，有源区下方被局部减薄至30μm。工作时，冷却工质经由分流歧管热沉直接喷射至局部减薄的SiC衬底上。相关数据显示，当栅指区热通量30 kW/cm²，整个有源区平均热通量1 kW/cm²时，最高温升不超过120°C。然而，由于冷却工质直接冲击在厚度极薄的有源区背部，可靠性风险有显著提升。

2018年，厦门大学马盛林教授团队展示了一种基于内嵌微流道高阻硅转接板的2.5D集成方法，该方法面向的是一种工作频段为2-6GHz的GaN HEMT功率放大器。测试结果显示，当平均热通量为400 W/cm²时，该器件能在2-6GHz频段内正常工作。根据文献调研，各种类型微流道热沉的散热能力已受广泛研究，并被视作解决GaN HEMT器件散热问题的潜在方案。然而，由于微流体散热性能的提升通常与工艺兼容性相冲突，目前尚未有权威结论揭示这些方案的绝对优劣。为充分利用微流道的散热能力，缩短热源区和微流道间的距离是自然且有效的。然而，这种行为将引发兼容性问题，增加可靠性风险与工艺开发的难度。

基于TSV转接板的2.5D集成方案具有相对较高的工艺可行性和集成紧凑性的优点。该技术是指将芯片、器件等键合至TSV转接板，再将转接板键合至衬底。通过在转接板内部形成微流道，在可接受的工艺难度下即能实现内嵌式微流道散热与各种器件的异质集成。因此，作者提出了一种面向高功率GaN HEMT器件的微流道直接散热2.5D集成方法。作者确定并开发了关键工艺，以制造内嵌有四层阶梯式微流道的高阻硅转接板。所制成的微流道为开放式流道，通过金锡共晶键合与GaN HEMT器件装配，从而使冷却工质可以直接冲击器件的SiC衬底底面。在这种情况下，结区和微流道间的热阻被大大减少，热量可通过对流被有效带走。之后，在DC模式下对样品进行了热性能评估。通过仿真和测试实验，研究了漏源电流I_ds及最大表面温度与漏源电压V_ds及冷却工质（去离子水）流量的关系。仿真和试验结果具有良好的一致性。当V_ds增加到7.5 V时，I_ds实测约0.8 A，最大表面温度实测约93.8°C。此时，栅指区热通量约32.8 kW/cm²，有源区平均热通量约5 kW/cm²。以上结果足以验证该技术的散热能力。此外，由于GaN HEMT器件的温度远低于可接受极限，因此仍有改进的余地。作者表示，相较于近年发表的其他工作，该研究在面向GaN HEMT器件的异质集成散热微流道方面展现出了最佳散热能力。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-022-00462-3