斯坦福 & 宾州州立团队：突破GaN HEMT自热限制！金刚石散热方案可降热阻35%

随着5G通信、雷达以及高频功率电子的发展，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）已成为高频、高功率射频器件的重要基础。与传统硅器件相比，GaN材料具备更高击穿电场、更高电子迁移率以及二维电子气（2DEG）特性，能够在高电压、高频率条件下稳定工作，但高功率密度带来的高热流密度，使得自热效应成为限制GaN HEMT性能和可靠性的核心问题之一。

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背景介绍

近期，宾夕法尼亚州立大学、斯坦福大学等研究团队，针对封装GaN HEMT的热阻构成与热优化路径开展了系统研究，相关成果以“Optimization Factors for the Thermal Design of Packaged GaN High-Electron-Mobility Transistors”为题，发表于IEEE Transactions on Electron Devices。该研究通过结合微拉曼热测量、时域热反射以及三维电热耦合建模的方法，对采用CuMo封装基板的单指GaN-on-SiC HEMT进行系统分析，厘清了器件从结区到散热器之间的热阻网络，识别出主导器件升温的关键层与界面，解决了GaN HEMT热管理中“不知热阻核心来源、优化方向模糊”的问题。

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成果研究

本次研究的亮点十分突出，所有结论均基于明确的实验数据与模拟结果。研究首先对比了不同贴片材料对散热性能的影响，采用低热导银胶、高热导银胶以及AuSn焊料作为芯片与CuMo封装的连接层，结果显示封装后的器件结温显著下降，其中AuSn焊料使器件温升下降最明显，高热导银胶则在热性能与热机械可靠性之间实现了较好平衡，同时明确封装连接层虽非最大热阻来源，但材料选择不合理会显著影响热管理效果。更关键的是，研究拆解器件内部温度分布后发现，半绝缘GaN缓冲层是总热阻的主要贡献者，占比约63%，SiC衬底占比约28%，而贴片层仅占约2%，这表明GaN HEMT的热瓶颈主要在器件内部，而非单纯的封装散热问题。

关于GaN缓冲层厚度的研究的也得出了具体结论：缓冲层厚度并非简单的“越薄越好”或“越厚越好”，而是与器件偏置状态、热流分布及沟道结构密切相关。在部分夹断工作状态下，较厚的缓冲层有利于横向散热、降低热点温度；完全导通状态下，热源分布均匀时，减薄缓冲层可降低整体热阻。通过不同沟道长度的TLM结构实验验证，短沟道器件适配较厚缓冲层，长沟道器件则更适合较薄缓冲层，说明GaN HEMT热设计需结合实际热流分布与三维热扩散行为，不能依赖简单的一维热阻模型。此外，研究还模拟了金刚石热管理方案，单一替换单晶金刚石衬底可使总热阻下降约21%，顶部集成多晶金刚石热扩散层可降低约17%，双侧同时采用可使总热阻下降约35%，展现出金刚石在热管理中的巨大潜力。

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图文导读

图1. (a) 封装GaN HEMT的截面示意图。图中还标出了用于测定相应温度值的内部位置，以便计算各材料层或界面的热阻：2DEG沟道（点1）、GaN层下方（点2）、衬底（点3）、芯片粘接材料（点4）、CuMo片（点5）以及热界面材料（TIM）（点6）。（b）测得与模拟的电输出以及（c）传输特性。

图2. (a) 裸芯片和封装器件的测量与模拟沟道温升对比。(b) 在VGS = 0 V和VDS = 13.6 V条件下，12 W/mm功耗下的典型发热分布。(c) 裸片及三款封装GaN HEMT在12 W/mm工作条件下的峰值沟道温升（2DEG ∆T）。用于这三款封装GaN HEMT的芯片粘接材料分别为：热导率» = 2.5 W/m·K的银环氧树脂（样品1）和» = 22 W/m·K的银环氧树脂（样品2），以及热导率» = 57 W/m·K的AuSn焊料（样品3）。

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总结

该研究并未局限于单一材料或封装结构的改进，而是从“器件—材料—封装”的整体热路径出发，重新梳理了GaN HEMT的热传输机制。研究明确，未来高功率GaN MMIC器件的热管理，需要综合考虑缓冲层设计、界面热阻、贴片材料、封装结构及金刚石集成等多个维度，形成系统性的热优化策略。对于向更高功率密度发展的GaN射频器件而言，这项研究为后续金刚石散热、异质集成以及高热导封装路线，提供了具体且可靠的设计依据，也为解决GaN HEMT自热效应、提升器件性能与可靠性提供了重要参考。

信息来源：未来产链

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