石墨烯在GaN基HEMT中的散热应用研究

付玉海 ，周德金 ，鲍婕 1，，许媛 ，徐文艺 ，胡文新 ，黄伟

（1.黄山学院机电工程学院，安徽 黄山 245041；2.黄山学院半导体技术与微系统研究所，安徽 黄山 245041；3.黄山宝霓二维新材科技有限公司，安徽 黄山 245900；4.黄山市祁门县新飞电子科技发展有限公司，安徽 黄山 245600）

0 引言

随着电力电子技术的快速发展，产品对器件优良性能的要求越来越高。GaN基高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor, HEMT）具有高功率密度、大电流密度、低噪声以及良好的频率特性，这些优势决定了GaN基HEMT在军用和民用微波功率器件和电路中有广泛的应用前景[1-4]。GaN基HEMT的输出功率和工作电压较高，导通电阻较低，抗干扰能力较强，可以减小系统体积，优化系统效率，减小器件的开关损耗，提高系统的可靠性。

但大功率GaN基HEMT器件仍然存在热管理问题，高温会影响器件的输出特性和转移特性，且器件的导通电阻会随着温度的升高而增大，使器件性能退化。目前主要采用金刚石衬底GaN散热技术、金刚石嵌入式散热柱、高导热钝化层散热技术、片内微流冷却散热技术以及GaN基倒装的结构来增强散热[5-7]。本文提出将二维新材料石墨烯应用于GaN基HEMT芯片表面来增强GaN基HEMT的散热能力。

二维新材料石墨烯有多方面的优异特性，热传导性能尤为突出。石墨烯具有极高的热导率，单层悬空的石墨烯热导率高达5300W/（mK），远远大于传统的金属散热材料如铜（约400W/（mK））和铝（约240 W/（mK）），较高的热导率和其他方面的优异性质，使石墨烯成为极具潜力的下一代的散热和热管理材料[8-11]。目前国内外已有多家机构将石墨烯应用于功率半导体器件的散热研究。有国外公司开发出采用石墨烯热塑料的大功率LED产品，并显示了优异的散热性能。Yan等[12]将石墨烯薄片膜应用于高功率晶体管电子器件散热，得出热点的温度可以降低约20℃。Bae等[13]将石墨烯基散热器用于柔性电子器的散热，显示出石墨烯散热层更有效地将热量逐出器件，提出并测试了石墨烯散热器在薄膜芯片封装中的应用。加州大学声子优化工程材料中心[14]研究得到涂有石墨烯材料的塑料基板比没有涂覆的基板导热率高很多。

1 GaN基HEMT器件的封装结构

GaN基HEMT器件的封装一般采用栅格阵列封装（Land Grid Array, LGA），以金属触点式封装替代了引脚式封装。这种封装形式体积小，可靠性高，可以使芯片和PCB之间的距离明显缩短，使得LGA的电气性能更加优越。但是栅格阵列封装存在焊点热疲劳可靠性问题，封装器件在工作过程中由于功率的损失和环境温度的周期性变化，芯片载体和基板、焊点之间的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion,CTE）差异会使焊点钎料内产生周期性的应力应变过程,从而引起焊点的热机械疲劳破坏，最终导致整个LGA器件失效[15]。如图1所示，典型的LGA封装结构从下往上依次是翅片散热器、导热硅脂、PCB板、焊膏、覆铜陶瓷基板（Direct Bonding Copper, DBC）、芯片、塑封体。用塑封体将芯片塑封后与DBC基板相连，通过焊膏将带有芯片的基板与PCB板相连，再通过导热硅脂连接翅片散热器。

根据此结构通过建模仿真，建立如图2所示的GaN基HEMT模型。在仿真软件中给每层结构附上材料，塑封体采用环氧树脂，芯片的材料为GaN，DBC基板为上铜层和下铜层以及中间的氮化铝陶瓷层，焊膏是Sn63/Pb37，PCB板的材料为FR4，导热硅脂用环氧基复合材料，翅片散热器采用铝。

图1 GaN基HEMT的LGA封装结构示意图Fig.1 Schematic diagram of LGA package structure of GaN - based HEMT

图2 GaN基HEMT仿真结构图Fig.2 GaN- based HEMT simulation structure diagram

2 GaN基HEMT的热仿真研究及石墨烯的应用

2.1 未加石墨烯的器件仿真

在GaN基HEMT的仿真结构里，给HEMT芯片上加载5个点热源，模拟芯片上产生的局部热点，当每个点热源加载4W功率，即芯片工作在20W时，计算得到整个结构的温度分布如图3所示。从图中可以看出HEMT整体结构的温度范围为，最高温度在芯片处。图4所示是此时芯片表面的温度分布图，热量集中在热点周围，其中芯片中心处温度最高，达到。依次给HEMT芯片加载1-20W的功率，计算器件整体结构的温度分布，得到芯片最高温度随功率变化的关系如图5所示。由图可以得出，随着加载功率的增大，芯片的最高温度逐渐升高，在实际应用中，功率越大，器件温度越高，一旦热量无法及时散出，会对整个器件的可靠性和使用寿命造成严重损害。

图3 未加石墨烯时HEMT器件整体温度分布图Fig.3 Temperature profile of HEMT device without graphene

图4 未加石墨烯时芯片表面温度Fig.4 Surface temperature of chip without graphene

图5 未加石墨烯时HEMT器件最高温度与功率关系图Fig.5 The relationship between temperature and power of HEMT device without graphene

2.2 石墨烯应用于芯片正面的器件仿真

为了降低HEMT器件的最高温度，将具有高导热的石墨烯应用于此结构，在HEMT芯片的正面铺设一层石墨烯薄膜，同样给芯片上5个点热源加载共20W的功率，计算整个器件结构的温度分布，如图6所示，得出器件整体封装结构的温度范围为31.8℃-149℃。石墨烯的应用使得芯片表面的温度迅速横向散开，最高温度有明显的降低，这就可以保证器件不会因温度过高而造成使用寿命的缩短。图7中芯片的温度分布可以看到局部热点的热量横向扩散明显，最高温度从之前163℃的降到了149℃，在没有铺设石墨烯薄膜时，芯片的热量主要是通过纵向往下散开，在铺设石墨烯薄膜后，芯片的热量先迅速沿横向散开，再从纵向传输，即应用石墨烯后，通过改变散热路径，从而加快了芯片热量的传输。再分别给芯片加载1-20W的功率，计算HEMT器件整体结构的温度分布，得到应用石墨烯后器件整体结构的最高温度随功率变化关系如图8所示，随着加载功率的增大，芯片的最高温度逐渐升高，但应用石墨烯后，器件的最高温度相比于未应用石墨烯时有明显的降低。

图6 加载石墨烯后HEMT器件结构的温度分布图Fig.6 Temperature profile of HEMT device with graphene

图7 加载石墨烯后芯片表面温度Fig.7 Surface temperature of chip with graphene

2.3 石墨烯应用于芯片背面的器件仿真

图8 加载石墨烯后HEMT器件温度与功率关系图Fig.8 The relationship between temperature and power of HEMT device with graphene

为了研究石墨烯薄膜放置的位置是否影响器件的散热效果，将石墨烯薄膜放置于HEMT芯片的背面，再仿真计算HEMT器件整体结构的温度分布，得到石墨烯应用于芯片背面的温度分布如图9所示。石墨烯应用于芯片背面时，器件的最高温度相比于未应用石墨烯时有所降低，如表1所示，但没有将其应用于芯片正面效果明显。图10中给出了石墨烯加载在不同位置以及加载前后芯片最高温度随功率的变化，可以得出，功率越大，石墨烯的散热效果越为显著，并且石墨烯用于芯片正面比用于芯片背面的散热效果更佳，这是由于芯片的热量集中在芯片正表面，温度较高，上面的塑封材料热传导性能较差，石墨烯的横向热传导能力可以明显改变热量的传输角度，而热量传输到芯片背面，再通过DBC衬板、焊料传到PCB板和散热器，这是HEMT器件封装结构的主要散热路径，石墨烯的横向传热作用带来的效果没有将其放置在芯片正面明显。因此，石墨烯薄膜放置于芯片的正面是最优的应用方案。

表1 石墨烯放置不同位置芯片最高温度Table 1 Maximum Temperature of Chip with Graphene at Different Positions

图9 石墨烯用于芯片背面时HEMT器件温度分布图Fig.9 Temperature profile of HEMT device with graphene used on the backside of the chip

图10 加载石墨烯前后芯片最高温度变化Fig.10 Changes of maximum chip temperature before and after graphene loaded

综上分析，利用石墨烯的横向高热导率这一特点，将其应用于GaN基HEMT器件封装结构中，增加了芯片表面横向的热量扩散，改变了目前传统散热结构的传热路径，器件的最高温度有明显的降低。同时，对比放置在不同位置的温度分布，石墨烯应用于芯片正面时的散热效果最佳。

3 结论

石墨烯的应用增强了整个封装结构的散热性能，在传统散热结构的基础上进行改进，改善了传统散热结构的不足，解决了GaN基HEMT器件的热管理问题，将新型二维材料石墨烯应用于器件封装结构中，属于新的散热方式，可以推广到其它类似的电力电子器件中，具有重要的工程价值。