宽禁带科技论|西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授团队：采用微流道冷却技术攻克GaN ...

近日，西安电子科技大学的郝跃院士、张进成教授领导的研究团队在学术期刊IEEE Journal of the Electron Devices Society发布了一篇名为Microchannel Cooling for Performance Enhancement of GaN-on-Si HEMT With a Low Rj-a of 13.5 K/W的文章，在GaN HEMT热管理方面取得重要进展，提出并验证了一种高效集成的微流道冷却方案，显著提升了器件的散热能力与电学性能。

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借高击穿电场、高电子迁移率和高饱和速度等优异特性，已成为高频高功率器件的理想选择。然而，随着功率密度不断提升，器件的自热效应日益严重，导致性能下降与可靠性问题，热管理成为制约其产业化应用的关键瓶颈。

研究团队首先建立了自然空冷与微流道冷却两种热阻模型，从传热学理论出发，系统比较了二者的热输运路径与对流换热能力。理论分析表明，得益于冷却液体极高的比热容与导热系数，以及微流道结构带来的巨大换热面积，微流道冷却可至少降低40%的结到环境热阻（Rj-a）。通过计算流体动力学仿真，团队深入研究了流速对散热性能与系统功耗的影响，揭示了冷却性能随流速提高而逐渐饱和的趋势，并综合权衡最大表面温度、进出口压降与系统性能系数（COP），最终确定230 mL/min为兼顾散热性能与系统能效的最佳流速。

图1. 流率优化分析：(a) 不同流率下的进出口压差；(b) 功耗3.57 W时，最高表面温度及压差随流率变化；(c) 不同流率下 COP 与热流密度的关系；(d) 功耗3.57 W时，COP 及最高表面温度随流率变化。

实验验证结果远超理论预期，充分展现了微流道冷却的强大效能。热特性测试表明，采用微流道冷却后，器件的Rj-a从自然空冷下的38.7 K/W显著降至13.5 K/W（流速430 mL/min时），降幅高达65%。在功耗为6.3 W时，器件最高表面温度仅为122℃，较自然空冷下4.3 W功耗时的172℃实现了大幅降低。同时，器件的表面热通量密度提升106%，最高达到2200 W/cm2，展现了卓越的热耗散能力。研究还证实，在高达50℃的高环境温度下，该冷却方案依然能保持高效的散热性能，Rj-a降幅仍接近58%，显示了其良好的环境适应性。

图2. (a) 微流道冷却（230 mL/min）与自然冷却下，器件最高表面温度随功耗变化曲线。(b) 器件表面红外热像图对比（左：自然冷却，4.3 W；右：微流道冷却，6.3 W）。

图3. (a) 不同流率微流道冷却及自然冷却下，最高表面温度与功耗的关系。(b) 不同冷却条件下，最高表面温度与器件热流密度的关系。

在电学性能方面，微流道冷却通过高效抑制沟道内的热量积累，从根本上缓解了自热效应。输出特性曲线显示，在微流道冷却下，器件饱和电流随漏压增加而下降的电流衰减现象得到显著抑制，电流衰减率从自然空冷下的29.8%大幅改善至仅3.5%。更值得注意的是，在固定偏置条件下，微流道冷却使得器件的稳态饱和电流提升了35.2%，且在更高流速下可进一步提升至38.7%。这些结果一致表明，微流道冷却不仅能大幅降低工作温度，更能直接提升和稳定GaN HEMT的核心电学性能，为高功率密度应用下的可靠性运行提供了坚实基础。