鮑 婕，周德金，陳珍海，寧仁霞，吳偉東，黃 偉

（1.黃山學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽黃山 245041；2.多倫多大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，加拿大多倫多 M5S3G4；3.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200443；4.清華大學(xué)無(wú)錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇無(wú)錫 214072)

1 引言

氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體器件由于自身寬禁帶半導(dǎo)體材料的特性優(yōu)勢(shì)，很多性能超越傳統(tǒng)硅基功率器件，在高頻、高效轉(zhuǎn)換器中具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1-3]。基于其獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和二維電子氣開(kāi)發(fā)出的高電子遷移率晶體管（HEMT），以更小的芯片尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的電流容量，具有高擊穿強(qiáng)度、低導(dǎo)通電阻和更快的開(kāi)關(guān)速度[4]，非常適合中低壓和中小功率系統(tǒng)，如旅行適配器、無(wú)線充電器、交直流轉(zhuǎn)換器、智能家電等，目前在600～650 V 擊穿電壓等級(jí)的高頻轉(zhuǎn)換器中最具吸引力[5]。隨著硅上GaN 技術(shù)的快速發(fā)展，具有潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)的GaN HEMT 器件，勢(shì)必會(huì)在光伏逆變器、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)、電動(dòng)車輛等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

為了充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體特性優(yōu)勢(shì)，除器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝以外，GaN HEMT 器件的封裝已經(jīng)成為重要的限制因素。擊穿電壓較高的功率器件需要在封裝中配備額外的電絕緣結(jié)構(gòu)，會(huì)引發(fā)更高的傳導(dǎo)損耗，這就意味著封裝結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)在熱管理和高速轉(zhuǎn)換二者之間要尋求平衡，才能實(shí)現(xiàn)封裝對(duì)于GaN 裸芯片電學(xué)及熱學(xué)性能的影響最小，使其能夠與硅技術(shù)形成競(jìng)爭(zhēng)。本文對(duì)耗盡型、增強(qiáng)型GaN HEMT、GaN 智能功率模塊的典型封裝結(jié)構(gòu)以及寄生電感、熱管理等封裝關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)二維材料石墨烯在GaN HEMT 器件熱管理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和討論。

2 GaN HEMT 器件的封裝結(jié)構(gòu)

不同類型的GaN 功率器件，根據(jù)其內(nèi)部電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及功率等級(jí)差異，需要選擇不同的封裝類型及結(jié)構(gòu)，以保證其優(yōu)異的電熱性能得以充分發(fā)揮。常見(jiàn)的封裝類型[6]有通孔式封裝（如TO 系列）、有引腳表面貼裝（如DSO 系列）以及無(wú)引腳的DFN、QFN、LGA封裝等。TO 和DSO 封裝中通常使用尺寸較大的GaN芯片和較厚的引線框架來(lái)降低阻抗，無(wú)引腳封裝經(jīng)常用于高頻DC-DC 或者AC-DC 轉(zhuǎn)換器這些對(duì)封裝寄生電感要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.1 GaN HEMT

GaN HEMT 有常開(kāi)型即耗盡型（D 型）和常關(guān)型即增強(qiáng)型（E 型）兩種。D 型器件需要負(fù)柵壓關(guān)斷，這對(duì)柵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是個(gè)極大的挑戰(zhàn)，驅(qū)動(dòng)失效會(huì)帶來(lái)短路等安全問(wèn)題，因此通常的做法是將D 型GaN HEMT和低壓硅MOSFET 組成一個(gè)級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示[7]。此時(shí)，GaN HEMT 是由低壓MOSFET 控制，因此該級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以由傳統(tǒng)硅基MOSFET 來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖1(b)[8]給出了市售方形扁平無(wú)引腳塑料封裝（PQFN）的級(jí)聯(lián)式GaN HEMT 器件內(nèi)部引線鍵合示意圖。GaN HEMT 的源極通過(guò)引線鍵合連接到Si MOSFET 漏極相連的銅基板上，其他各極通過(guò)鍵合線連接到信號(hào)引出端。

E 型GaN HEMT 器件封裝中只有一個(gè)芯片，可以采用晶圓級(jí)封裝，焊盤網(wǎng)格陣列LGA 是商用E 型GaN HEMT 生產(chǎn)經(jīng)常采用的封裝形式。圖1(c)所示是GaN 系統(tǒng)公司650 V 的E 型GaN HEMT，這種芯片級(jí)封裝能夠帶來(lái)較低的封裝熱阻和寄生電感，以及PCB板上最小的安裝面積，從而實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，有效減小動(dòng)態(tài)損耗。

2.2 GaN 功率模塊

相比于離散封裝的GaN HEMT，將驅(qū)動(dòng)電路和GaN HEMT 集成封裝在一個(gè)模塊里，德州儀器QFN-SIP 封裝的GaN 智能功率模塊如圖2(a)所示[6]。這種結(jié)構(gòu)是減小寄生電感[9]、實(shí)現(xiàn)高頻電源設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，但同時(shí)也給封裝帶來(lái)很多挑戰(zhàn)，MISHRA 等[10]詳細(xì)討論了要發(fā)揮GaN 高壓功率模塊的出色性能，需要重點(diǎn)考慮的封裝解決方案。

首先要針對(duì)高壓GaN 技術(shù)研發(fā)新的硅上GaN 工藝節(jié)點(diǎn)，由于金屬層和鈍化層較厚等特點(diǎn)要定義新的設(shè)計(jì)規(guī)則，如最大線寬、金屬槽寬、芯片倒角尺寸等，因?yàn)榉庋b應(yīng)力會(huì)直接帶來(lái)鈍化層破裂的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響器件可靠性。接下來(lái)，GaN 外延層與硅襯底之間形成的應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)失配問(wèn)題，在后續(xù)的晶圓減薄和切割時(shí)更容易造成晶圓脆性以及外延層中的裂紋，有時(shí)切損的地方會(huì)穿透芯片電路引起器件失效，因此要改進(jìn)切割工藝，優(yōu)化頂部切削和側(cè)壁切削的工藝技術(shù)。

高壓GaN 模塊的封裝需要在滿足爬電距離和間隔要求的基礎(chǔ)上盡量減小封裝電感，二者之間尋求平衡就需要開(kāi)發(fā)新的引線框架技術(shù)，在芯片焊盤和高壓引腳之間實(shí)現(xiàn)短鍵合，從而減小寄生電感，實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)性能。最后，塑模復(fù)合材料的選擇也是高壓GaN模塊封裝的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)楦邏汉副P產(chǎn)生的高電場(chǎng)會(huì)引起塑?；衔镏械碾姾蛇w移現(xiàn)象，影響器件的擊穿電壓、泄漏電流等關(guān)鍵參數(shù)，因此要選擇體積電阻率高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、可塑性和粘合性好的塑模材料。

從板極可靠性角度還需要考慮引腳焊盤的版圖設(shè)計(jì)，由于高壓GaN 模塊有爬電距離和間隔的要求，因此高壓漏極引腳要和其他引腳分開(kāi)，保證最小的爬電距離，這樣就帶來(lái)了不對(duì)稱的引腳分布，PCB 焊盤版圖設(shè)計(jì)如圖2(b)所示。在表面貼裝的模塊可靠性測(cè)試時(shí)，很容易因?yàn)镻CB 焊盤焊點(diǎn)之間的應(yīng)力不均勻造成失效。因此，需要針對(duì)不同的引線框架設(shè)計(jì)調(diào)整PCB 上的焊盤尺寸，使焊點(diǎn)塑性功密度在加工可行范圍內(nèi)盡可能減小。

圖1 GaN HEMT[7-8]

圖2 GaN 智能功率模塊[6]

3 GaN HEMT 器件的封裝關(guān)鍵技術(shù)

寬禁帶半導(dǎo)體功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于硅器件的多種性能，如高效、高功率密度、高溫耐受能力等，但同時(shí)也帶來(lái)很多新的挑戰(zhàn)，如寄生電感、熱管理問(wèn)題等。通過(guò)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料等的設(shè)計(jì)，解決GaN HEMT器件封裝發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是除了芯片設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化以外最為緊迫的研究課題。

3.1 封裝寄生電感問(wèn)題

由于GaN HEMT 器件的開(kāi)關(guān)速度快，在開(kāi)關(guān)瞬變中高頻振蕩引起的高dv/dt和di/dt會(huì)增大傳導(dǎo)電磁干擾、近場(chǎng)耦合以及輻射電磁干擾等的影響[11-14]。優(yōu)化封裝是從源頭上減小電磁干擾最為直接的方法，因?yàn)楦哳l振蕩是由器件封裝和電路布局帶來(lái)的，改善導(dǎo)通電流及關(guān)斷電壓的過(guò)沖現(xiàn)象就要減小封裝布局帶來(lái)的寄生電感。

封裝結(jié)構(gòu)中的鍵合引線會(huì)帶來(lái)額外的寄生電感，以圖1(b)所示的級(jí)聯(lián)式GaN HEMT 為例，鍵合引線帶來(lái)了2 個(gè)關(guān)鍵的共源電感Lint1和Lint3，由功率回路和驅(qū)動(dòng)回路共用，如圖3(a)所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，GaN HEMT 的柵源電壓VGS應(yīng)該是硅MOS 管的源漏電壓VSD和所有關(guān)聯(lián)寄生電感如Lint1、Lint2、Lint3產(chǎn)生的電壓之和。這不只增加了硬開(kāi)關(guān)條件下的導(dǎo)通能量，也在大電流關(guān)斷瞬變過(guò)程中引發(fā)了GaN HEMT 柵極嚴(yán)重的寄生振蕩。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率增加到兆赫茲時(shí)，這種內(nèi)部的寄生振蕩會(huì)更嚴(yán)重而直接造成GaN HEMT 失效。

ZHANG 等[8]提出了減小共源電感給器件開(kāi)關(guān)性能帶來(lái)負(fù)面影響的堆疊式封裝結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示，將硅MOS 的漏極直接焊接在GaN HEMT 的源極上，從而消除鍵合引線帶來(lái)的Lint1。同時(shí)，將GaN HEMT 的柵極通過(guò)引線鍵合連接到硅MOS 的源極上，從而去除了Lint3對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的影響。這樣任何寄生電感都沒(méi)有被2 個(gè)回路所共享，如圖3(c)所示，即消除了所有共源電感的影響，使器件可以在高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)更好的性能。

圖3 級(jí)聯(lián)式GaN HEMT[8]

E 型GaN HEMT 中由于只有一個(gè)芯片，要徹底減小驅(qū)動(dòng)回路和功率回路中的寄生電感，就要從基板封裝結(jié)構(gòu)入手，通常的做法是將GaN 芯片嵌入到PCB中，得到更短的封裝互連路徑。SAVULAK 等[11]使用4層PCB 基板，將GaN 芯片嵌入到第二層和第三層銅之間，器件的散熱焊盤連接到底銅層，再通過(guò)熱界面材料連接散熱器。這種結(jié)構(gòu)雖然寄生電感很小，但結(jié)-殼熱阻還是較高，而且PCB 基板與GaN 芯片之間存在熱膨脹系數(shù)（CTE）失配的可靠性問(wèn)題。LU 等[12]提出一種E 型GaN HEMT 的新型封裝形式，將PCB 和覆銅陶瓷基板（DBC）組合應(yīng)用在一個(gè)封裝中，如圖4 所示。GaN 芯片的各極焊盤直接通過(guò)鍍金插針連接到PCB 上，DBC 基板通過(guò)銀燒結(jié)安裝在芯片下方，用以實(shí)現(xiàn)散熱、電絕緣和較低的CTE 失配。PCB 與DBC之間使用底部填充膠保證力學(xué)穩(wěn)定性，柵極驅(qū)動(dòng)以及其他控制電路可以表面貼裝到PCB 上。實(shí)驗(yàn)測(cè)得這種封裝獲得了更低的寄生電感以及結(jié)-殼熱阻。

圖4 E 型GaN HEMT 的新型封裝[12]

除了上述器件級(jí)寄生電感優(yōu)化以外，PCB 布線、DBC 圖形以及功率模塊中的鍵合線都會(huì)帶來(lái)高頻振蕩，近年來(lái)研究者們提出了多種減小功率模塊內(nèi)部寄生電感的方法[13]，如表1 所示。BROTHERS 等[14]從GaN 模塊內(nèi)部平面功率環(huán)、平行相的級(jí)聯(lián)布局、鍵合線的使用幾個(gè)角度詳細(xì)分析了布局設(shè)計(jì)對(duì)寄生電感的影響。首先，平行分布的GaN 芯片之間功率環(huán)電感卻不對(duì)稱，因此會(huì)帶來(lái)源漏過(guò)沖電壓、損耗以及熱分布的不一致，通常需要設(shè)計(jì)使用通量相消路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱，使功率環(huán)路徑電感最小化。圖5(a)中柵驅(qū)動(dòng)板的近距離安裝就可以實(shí)現(xiàn)功率環(huán)和驅(qū)動(dòng)環(huán)路的通量部分相消。其次，由于模塊的直流輸入端不是分布式母線排，每相回路電感不同，同樣存在前面提到的不對(duì)稱問(wèn)題，而且級(jí)聯(lián)相之間存在共用寄生電感，某一相的開(kāi)關(guān)操作會(huì)直接影響其他相，因此建議安裝帶有分布式電容源的直流輸入總線，如圖5(b)所示，可以為所有平行相提供對(duì)稱的功率環(huán)電感，同時(shí)盡可能減小彼此之間的共用電感。

表1 減小寄生電感的方法

鍵合線引入的電感通常在納亨級(jí)，對(duì)于GaN 器件的工作是不容忽視的，而且不能實(shí)現(xiàn)通量相消，因此應(yīng)該盡量采用無(wú)鍵合引線封裝。圖5(c)中YU 等[15]在一個(gè)直流降壓器中用低電感的銅引線框架替換掉倒裝的垂直型GaN 芯片底部和金屬接觸端之間的鍵合引線，得到的回路電感明顯下降，見(jiàn)圖5(d)。由于器件中其他布局沒(méi)有變化，因此這個(gè)結(jié)果說(shuō)明采用平面互連技術(shù)代替鍵合線可以大大減小回路的寄生電感。

功率器件應(yīng)用時(shí)典型的做法是將功率器件焊接在DBC 上形成獨(dú)立封裝，其外部引線焊接到PCB 上與柵驅(qū)動(dòng)電路及電容器件等形成互連[16]，此時(shí)除了共源電感以外，驅(qū)動(dòng)器件輸出和GaN 柵極之間的柵極電感也是高速轉(zhuǎn)換時(shí)主要的寄生電感來(lái)源，包括驅(qū)動(dòng)輸出鍵合線電感、GaN 柵極鍵合線電感和PCB 電路線電感，如圖6(a)所示。不同的封裝尺寸這部分寄生電感大小不同，比如無(wú)引線的QFN 封裝大概幾納亨，而TO220 封裝則在10 nH 以上[10]。當(dāng)GaN HEMT 與驅(qū)動(dòng)集成在一個(gè)封裝里面時(shí)，驅(qū)動(dòng)的地信號(hào)端是直接與GaN 芯片源焊盤鍵合在一起的，這樣可以使功率回路和柵極回路之間的共源電感最小化。同時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)和GaN HEMT 集成在一個(gè)引線框架上，GaN 柵極直接鍵合連接到驅(qū)動(dòng)輸出端，如圖6(b)所示，可以使柵極電感減小到1 nH 以下。

圖5 不同封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的GaN 功率模塊[14-15]

3.2 封裝熱管理問(wèn)題

隨著功率模塊體積不斷減小，功率密度越來(lái)越高，同時(shí)高開(kāi)關(guān)頻率也會(huì)帶來(lái)不容忽視的開(kāi)關(guān)損耗。無(wú)論是器件級(jí)還是封裝級(jí)，溫度都隨之大幅提高，引發(fā)封裝中的熱擊穿和熱機(jī)械應(yīng)力，降低系統(tǒng)的可靠性[17-18]，尤其是熱流密度較高的GaN 射頻器件，如果沒(méi)有高效的散熱方案，將嚴(yán)重影響射頻性能和功率模塊的可靠性[19-22]。因此優(yōu)化封裝熱管理成為功率模塊發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。

3.2.1 器件級(jí)熱管理

GaN HEMT 通常是生長(zhǎng)在藍(lán)寶石、SiC 或Si 襯底上的，藍(lán)寶石和硅襯底的導(dǎo)熱性能較差，因此SiC 材料的高導(dǎo)熱系數(shù)為GaN HEMT 實(shí)現(xiàn)優(yōu)異熱性能帶來(lái)了希望。CHVALA 等[23]通過(guò)對(duì)2 柵指和50 柵指的GaN器件模型進(jìn)行熱仿真，研究了圖7 中各層材料尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)GaN HEMT 熱性能的影響。由于鉬銅合金和金錫焊料的高熱阻，減小其厚度可以有效加強(qiáng)熱量向底部熱沉的傳導(dǎo)，從而降低GaN HEMT 溫度。較薄的SiC 和GaN 層可以減小橫向熱流，增大法向熱流，結(jié)果導(dǎo)致GaN HEMT 溫度上升。電極鍍金層的厚度增加可以加強(qiáng)頂部金屬的散熱，對(duì)器件溫度略有改善。另外，各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高都可以降低GaN HEMT 器件的溫度。

圖6 GaN HEMT 與驅(qū)動(dòng)分立封裝和集成封裝的寄生電感對(duì)比[10]

圖7 GaN 芯片封裝截面示意圖[23]

考慮到大規(guī)模生產(chǎn)工藝及成本問(wèn)題，在硅襯底上制作GaN 功率器件成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。但是相比于藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN，硅上GaN 由于晶格大和熱失配問(wèn)題會(huì)造成較大的應(yīng)力和應(yīng)力梯度，而相比于SiC 襯底，硅上GaN 的導(dǎo)熱性能較差。為了改善硅襯底的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，CIBIE 等[24]嘗試將GaN HEMT 從原本的400 μm 厚硅襯底上轉(zhuǎn)移到80 μm 厚的銅襯底上。給不同襯底的器件同樣加載周期為1 ms、功率為0.34 W/mm 的脈沖信號(hào)，采用紅外熱像儀測(cè)得硅襯底器件溫度最高為41 ℃，而銅襯底器件溫度最高僅為35 ℃，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的散熱優(yōu)化作用。

NITTALA 等[25]為了解決硅襯底帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題，將GaN 從硅襯底上轉(zhuǎn)移到50 μm 厚電鍍銅層，再通過(guò)銅銦鍵合技術(shù)與銅散熱基板相連，如圖8 所示。厚電鍍銅層可以在轉(zhuǎn)移工藝過(guò)程中為GaN 提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，消除GaN 和硅襯底之間應(yīng)力梯度帶來(lái)的褶皺和裂紋，銅銦鍵合可以高度實(shí)現(xiàn)GaN 芯片到銅基板的互連，不僅改善了導(dǎo)熱性能，也因?yàn)殒I合工藝引入的壓縮應(yīng)力能夠消減較高的工作溫度造成的熱失配，從而增強(qiáng)GaN HEMT 的可靠性。文獻(xiàn)[25] 還將硅MOS 通過(guò)性價(jià)比高的環(huán)氧鍵合方法與GaN HEMT 互連形成堆疊結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步封裝成更加緊湊的系統(tǒng)。

圖8 GaN HEMT 異質(zhì)堆疊封裝結(jié)構(gòu)[25]

3.2.2 封裝級(jí)熱管理

除了襯底材料以外，互連材料和芯片焊接技術(shù)也對(duì)GaN HEMT 器件的封裝可靠性影響很大。由于材料之間的CTE 不同，比如銅是16.5×10-6/K，硅是2.6×10-6/K，在器件工作時(shí)，封裝中就會(huì)出現(xiàn)高溫應(yīng)力。而且GaN 功率器件相比硅器件工作溫度更高，因此除芯片以外，其他封裝材料也要能滿足高溫工作條件，如普通焊料需要替換為金錫、銀燒結(jié)等高溫互連材料[26-27]。而金錫焊料價(jià)格昂貴，且在高頻高功率應(yīng)用造成的高溫峰值時(shí)可能會(huì)融化，這些都不利于GaN HEMT 器件的穩(wěn)定工作[28-29]。BAJWA 等[29]基于阿肯色功率電子國(guó)際有限公司（APEI Inc.）的GaN HEMT 封裝，將原來(lái)用于AlN DBC 和銅底板互連的Sn96.5Ag3.5焊料替換為Sn-Ag 瞬態(tài)液相鍵合（TLP），芯片和DBC之間采用銀燒結(jié)互連，如圖9 所示。改進(jìn)后的封裝能夠在480 ℃下穩(wěn)定工作，相比于原封裝的250 ℃，GaN HEMT 的熱性能得到了極大的提升。

圖9 GaN HEMT 產(chǎn)品的改進(jìn)封裝[29]

不論是金錫焊料還是銀燒結(jié)等，這些熱界面材料的熱導(dǎo)率都較低，MARGOMENOS 等[30]直接在GaN芯片背面電鍍低應(yīng)力金屬形成熱沉結(jié)構(gòu)，這樣省去了熱界面材料的使用，可以降低整體熱阻，同時(shí)不同襯底厚度的組件都嵌入在電鑄熱沉里，經(jīng)過(guò)拋光之后得到非常平滑的表面。隨后HERRAULT 等[31]在此基礎(chǔ)上報(bào)道了晶圓級(jí)硅封裝GaN HEMT 技術(shù)，如圖10 所示，其中應(yīng)用嵌入式銅散熱結(jié)構(gòu)和微型互連。所謂的微型互連是以電鍍5 μm 厚、50 μm 寬的金線替代原本的鍵合引線，晶圓級(jí)加工可以精確控制尺寸，在低熱阻的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小寄生電感。另外，硅基封裝得益于成熟的硅微加工技術(shù)，可以得到更高深寬比、更緊湊的封裝。

圖10 硅封裝GaN HEMT[31]

類似地，MANIER 等[32]提出了在高功率密度轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中平面GaN 半橋模塊的晶圓級(jí)嵌入式封裝技術(shù)，將未封裝的GaN HEMT 嵌入到按照設(shè)計(jì)版圖刻蝕好的硅框架中，在聚合物介質(zhì)層中通過(guò)電鍍沉積厚銅，將電信號(hào)接觸端重新分布和延伸，即扇出封裝工藝。隨后將硅基模塊通過(guò)銀燒結(jié)工藝安裝到AlN 陶瓷基板上，進(jìn)而連接熱沉。這種硅封裝GaN 模塊可以實(shí)現(xiàn)更低的熱阻、更小的寄生電感，從而發(fā)揮GaN HEMT 器件的高效率優(yōu)勢(shì)。

GaN HEMT 中多層不同材料組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)給整個(gè)封裝帶來(lái)了很大的界面熱阻，DITRI 等[33]針對(duì)一種常見(jiàn)的水冷散熱SiC 上GaN 高功率放大器封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)67%的熱阻來(lái)自于GaN/SiC 芯片以外的封裝材料。因此即使將GaN 襯底換成導(dǎo)熱率是SiC 材料3 倍的化學(xué)氣相沉積金剛石，結(jié)溫也僅僅下降22%，再考慮到GaN 外延層和金剛石襯底之間的界面熱阻，改善效果會(huì)更加微弱[34]。而采用嵌入式微流體冷卻結(jié)構(gòu)（圖11），即將遠(yuǎn)距離被動(dòng)冷卻發(fā)展為近結(jié)主動(dòng)冷卻方案[35]，通過(guò)減小芯片以下的封裝部分熱阻，可以將結(jié)溫降低55%以上。

圖11 嵌入式微流體散熱結(jié)構(gòu)[33]

對(duì)于使用傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)的GaN 功率模塊，由于熱流密度過(guò)高，普通的絕緣介質(zhì)冷卻液受到沸點(diǎn)低、導(dǎo)熱率小等限制，無(wú)法表現(xiàn)出比如水等理想流體的優(yōu)異性能，BIRBARAH 等[36]提出在電子器件及PCB 表面化學(xué)氣相沉積帕利靈（Parylene C）來(lái)實(shí)現(xiàn)電絕緣，然后直接將系統(tǒng)放入水中進(jìn)行浸入式冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，即使薄至1 μm 的帕利靈也能夠在電壓高達(dá)200 V 的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電子器件和周圍水的絕緣。對(duì)比絕緣介質(zhì)流體得到的111 W/cm2熱耗散通量和水-乙二醇混合液的452 W/cm2熱耗散通量，直接浸入水冷卻的最大熱耗散通量達(dá)到562 W/cm2。

GaN HEMT 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用時(shí)一般采用LGA封裝或球柵陣列（BGA）封裝，因?yàn)檫@些封裝形式可以減小寄生電感和電阻。在沒(méi)有散熱器的情況下，熱耗散的主要渠道就是通過(guò)PCB 的銅層與外部環(huán)境自然對(duì)流。雖然DBC 基板相比于PCB 具有更好的散熱能力[37]，但造價(jià)較高，其散熱優(yōu)勢(shì)主要是因?yàn)槭褂昧撕胥~層（一般為300 μm）和高導(dǎo)熱陶瓷材料（如AlN 等），其主要缺點(diǎn)在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)寄生電感更小的多層版圖設(shè)計(jì)[38]，因此在使用DBC 基板時(shí)要選擇合適的基板結(jié)構(gòu)來(lái)平衡熱管理和電磁干擾兩方面的性能[39]。另外，有研究表示DBC 基板在高溫下會(huì)因?yàn)殂~氧化以及晶界擴(kuò)散導(dǎo)致可靠性變差，KIM 等[26-27,40]認(rèn)為覆鋁陶瓷基板（DBA）不存在嚴(yán)重的氧化風(fēng)險(xiǎn)，但高溫下會(huì)出現(xiàn)表面粗糙問(wèn)題，影響長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，需要優(yōu)化銀燒結(jié)工藝等來(lái)抑制界面變形。

目前PCB 制造技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)厚銅層的制作（約70 μm），再加上PCB 板的多層特點(diǎn)則可以大大提高其散熱性能。LEE 等[41]仿真分析了PCB 銅層厚度、PCB 板面積以及器件、通孔之間的距離對(duì)GaN HEMT熱性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)銅層厚度大于70 μm 或PCB板面積大于16 cm2都可以大幅提升對(duì)器件的散熱作用。器件或通孔之間的距離變化對(duì)熱性能影響不大，但是考慮到寄生電感問(wèn)題，還是建議盡量保持間距小于25.4 mm。

在上述研究的基礎(chǔ)上，LEE 等[42]進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制作了用于同步降壓轉(zhuǎn)換器中GaN HEMT 器件熱性能提升的PCB 結(jié)構(gòu)，如圖12 所示，基于滿足系統(tǒng)零電壓切換所計(jì)算的電感值，設(shè)計(jì)出3 種單匝空心集成平面電感。3 種電感內(nèi)徑相同，外徑不同，從而得到電感值近似而銅導(dǎo)電路徑寬度不同的測(cè)試樣品，可以研究熱性能的差別。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，銅導(dǎo)電路徑更寬的C 樣品相比于A 樣品器件效率提升3.5%，在工作電流更大的情況下，C 樣品測(cè)得的器件殼溫比A 樣品降低了11.9 ℃，有效改善了器件的散熱性能。

圖12 單匝空芯集成平面電感的GaN HEMT 系統(tǒng)[42]

安裝在PCB 上的GaN HEMT 在減小寄生電感方面很有優(yōu)勢(shì)，但是其散熱性能如果想要與DBC 基板相比擬，還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。ZHANG 等[43]提出了3 種改善PCB 導(dǎo)熱性能的方案，如圖13 所示。經(jīng)過(guò)仿真分析，通孔電鍍銅對(duì)整體結(jié)構(gòu)的熱阻改變效果有限；PCB 上銅層厚度的增加對(duì)結(jié)構(gòu)熱阻有一定改善作用，但仍然比不上DBC，而雙面冷卻結(jié)構(gòu)需要上銅層與熱沉相連才有效，但實(shí)際產(chǎn)品中上銅層這個(gè)位置需要留給去耦電容和驅(qū)動(dòng)電路，因此連接熱沉不具有可行性。文獻(xiàn)[43]最后提出只有在PCB 上銅層厚度達(dá)到300 μm 以上且加裝有珀耳帖模塊時(shí)，才能從功率器件側(cè)面引出熱流，從而得到可以與DBC 相比擬的散熱效果。

圖13 PCB 熱性能改進(jìn)的3 種方案[43]

3.2.3 石墨烯在GaN HEMT 中的熱管理應(yīng)用

近年來(lái)以石墨烯為代表的二維材料的出現(xiàn)，給功率器件的熱管理方案帶來(lái)了更多新的可能性，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和科研單位針對(duì)石墨烯的散熱應(yīng)用展開(kāi)了廣泛的研究。眾所周知，石墨烯的橫向熱導(dǎo)率很高，不只遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GaN 材料125～225 W/（m·K）的室溫?zé)釋?dǎo)率，而且比器件結(jié)構(gòu)中使用的任何金屬材料都要高[44-46]。即使只有幾納米厚度的石墨烯薄膜仍然能保持其優(yōu)異的聲子熱傳導(dǎo)性能，相比于電子占主導(dǎo)、隨著厚度減小導(dǎo)熱性能迅速退化的金屬薄膜來(lái)說(shuō)，更加適合在功率器件中做散熱材料。

YAN 等[44]報(bào)道了剝落的石墨烯絮在SiC 襯底上生長(zhǎng)的GaN HEMT 熱管理中的應(yīng)用，如圖14 所示，將石墨烯散熱材料附著在熱點(diǎn)附近的漏極接觸端，并延伸到器件邊緣的石墨熱沉。通過(guò)對(duì)器件伏安特性的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用了石墨烯散熱層之后，相同電壓下漏極電流明顯增大。LI 等[45]將GaN 鍵合到多層石墨烯構(gòu)成的高導(dǎo)熱復(fù)合材料（GC）上，構(gòu)成GaN/GC 結(jié)構(gòu)，在二者之間獲得了充分的界面熱導(dǎo)（TBC），仿真發(fā)現(xiàn)相比于GaN/SiC 和GaN/Si 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更為優(yōu)異的熱性能。

圖14 石墨烯在GaN HEMT 中的應(yīng)用[44]

除了上述將石墨烯材料用于GaN 器件級(jí)熱管理以外，從封裝級(jí)熱管理角度出發(fā)，SAITO 等[46]在GaN HEMT 與散熱器之間使用法向平面內(nèi)堆疊石墨烯構(gòu)成的銅層壓垂直基板（VGS），替換常用的銅基復(fù)合基板（CCS）。如圖15(a)所示，這樣制作的銅層壓VGS 的熱導(dǎo)率是各向異性的，在y-z面內(nèi)的熱導(dǎo)率很高，雖然隨溫度升高會(huì)下降，但在200 ℃時(shí)仍可以達(dá)到1200 W/（m·K）以上，而在x 軸向熱導(dǎo)率較低，只有5 W/（m·K）。在同樣由2 個(gè)加載75 W 耗散功率的GaN HEMT 組成的模塊中，使用銅層壓VGS 得到的模塊溝道溫度為153 ℃，比起CCS 使用時(shí)的193 ℃足足下降了40 ℃。而且從圖15(b)中可以看出在y和z軸向，銅層壓垂直石墨基板的高熱導(dǎo)率給模塊帶來(lái)了很好的熱擴(kuò)散能力。

石墨烯材料作為高導(dǎo)熱新型材料，在功率半導(dǎo)體的器件級(jí)和封裝級(jí)熱管理方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值，目前其投入GaN HEMT 封裝市場(chǎng)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸主要存在于規(guī)?；a(chǎn)的一致性問(wèn)題。近結(jié)冷卻固然是石墨烯在功率半導(dǎo)體器件中散熱應(yīng)用的理想方案，但其帶來(lái)的工藝難度以及可靠性問(wèn)題不容忽視，而將其與功率器件基板做高質(zhì)量復(fù)合是提升功率半導(dǎo)體封裝熱管理的上佳選擇。

圖15 銅層壓垂直石墨基板在GaN HEMT 模塊中的應(yīng)用[46]

3.3 其他封裝問(wèn)題

除了上述寄生電感、熱管理等技術(shù)問(wèn)題以外，封裝過(guò)程還會(huì)引入額外應(yīng)力從而帶來(lái)可靠性問(wèn)題。在功率芯片和基板成為器件產(chǎn)品投入使用之前，還要經(jīng)過(guò)一系列的封裝工藝，如打線、塑封等。鋁線帶來(lái)的應(yīng)力可能會(huì)造成焊盤脫落，塑封工藝帶來(lái)的應(yīng)力可能造成鈍化層中出現(xiàn)裂縫，從而使器件性能退化。因此研究者們?cè)诮档虶aN 功率器件生產(chǎn)成本的同時(shí)，也對(duì)工藝帶來(lái)的可靠性問(wèn)題予以高度關(guān)注。

OH 等[47]報(bào)道了采用縮小芯片技術(shù)控制增強(qiáng)型GaN 器件成本的有源區(qū)焊盤（BPOA）結(jié)構(gòu)工藝，使用光敏聚酰亞胺（PSPI）作為金屬間電介質(zhì)（IMD）層，如圖16 所示。由于其高電阻、低介電常數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性以及高韌性等特點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)IMD 層無(wú)機(jī)材料如SiO2、Si3N4等厚度受限使得擊穿電壓變小的缺點(diǎn)，不僅將芯片尺寸減小了50%以上，同時(shí)改善了封裝工藝引入的應(yīng)力對(duì)GaN 器件可靠性的影響。

圖16 使用BPOA 結(jié)構(gòu)的GaN 功率器件[47]

綜上所述，GaN HEMT 器件的封裝技術(shù)從GaN芯片襯底、芯片與基板互連、基板等封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)以及工藝等角度的發(fā)展路線如圖17 所示?？傮w趨勢(shì)是從引線鍵合的平面封裝向無(wú)引線的立體封裝發(fā)展，如無(wú)引線的平面式結(jié)構(gòu)、嵌入式結(jié)構(gòu)、晶圓級(jí)扇出型結(jié)構(gòu)以及3D 堆疊結(jié)構(gòu)等，基板從PCB 到DBC 再到二者的混合結(jié)構(gòu)。提高封裝中各層材料的熱導(dǎo)率，在減小寄生電感的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效散熱，同時(shí)盡可能兼容成熟的硅加工技術(shù)以降低產(chǎn)品成本。

圖17 GaN HEMT 器件封裝技術(shù)發(fā)展路線

4 結(jié)論

GaN HEMT 器件在高功率密度、高頻轉(zhuǎn)換工作過(guò)程中，寄生電感、熱管理等問(wèn)題對(duì)器件性能具有非常嚴(yán)重的影響。文中綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)于GaN HEMT 器件封裝關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，為其優(yōu)越性能得以充分發(fā)揮提供了有價(jià)值的參考?；诙S材料石墨烯出色的導(dǎo)熱性能，將其應(yīng)用于GaN HEMT 器件中可以實(shí)現(xiàn)有效的熱管理，本文對(duì)目前的應(yīng)用研究成果進(jìn)行了分析和討論，對(duì)高導(dǎo)熱石墨烯材料增強(qiáng)GaN HEMT 器件性能的研究開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。