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富士通的单晶金刚石和碳化硅(SiC)衬底焊接新型电子散热技术

发布时间:2018/8/31     来源:电子散热器    站点:http://www.js-hongtu.com
 
       早几年,富士通公司及其子公司富士通实验室公司(Fujitsu Laboratories Ltd)曾在半导体接口专家会议上介绍了据称是第一个室温下实现单晶金刚石和碳化硅(SiC)衬底焊接新型电子散热技术,关键是这两者都是硬质材料,但具有不同的热膨胀系数。
  使用这种技术散热可以高效率地冷却高功率氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT),从而使功率放大器在高功率水平下稳定工作。
  传统GaN HEMT——SiC衬底散热
  近年来,高频GaN-HEMT功率放大器已被广泛用于雷达和无线通信等远程无线电领域,预计还将用于天气雷达观测局部暴雨,或者即将出现的5G毫米波段移动通信协议。对于这些使用微波到毫米波频段雷达或无线通信系统,通过提高用于传输的GaN-HEMT功率放大器的输出功率,无线电波能够传播的距离将增大,可扩展雷达观测范围,实现更远和更高容量的通信。
GaN HEMT功率放大器的一些输入功率会转化成热量,然后分散到SiC沉底。由于提高雷达和无线通信的射程和功率也增加了器件产生的热量,这对其性能和可靠性产生不利影响,因此需要将器件热量有效地传输到冷却结构(散热片)。
  金刚石-SiC散热
  尽管SiC衬底具有相对较高的导热率,但是对于具有越来越高的功率输出的器件而言,需要具有更好的导热率的材料以有效地将器件热量运送到冷却结构。 单晶金刚石具有非常好的导热性-几乎是SiC衬底的5倍 - 被称为可以有效散热的材料。
  金刚石-SiC键合方法
  为了将单晶金刚石键合到作为冷却材料的器件上,正常的生产过程使用氩(Ar)束去除杂质,但这会在表面形成低密度的受损层,这会削弱单晶金刚石可能形成的键合。此外,使用诸如氮化硅(SiN)的绝缘膜用于键合,由于SiN存在热阻会削弱导热性。
  为了防止Ar束在金刚石表面形成损伤层,富士通开发了一种技术,在暴露于Ar束之前用极薄的金属膜保护表面。 为了确保表面是平面的(为了在室温下良好的键合),金属膜的厚度需限制在10nm或更薄。
    这种技术被证实可以防止Ar束暴露后在金刚石表面形成损伤层,从而提高了键合强度,从而使得单晶金刚石在室温下与SiC衬底键合。
热阻测试结果
  在室温下测量了粘样品的热阻,发现SiC /金刚石界面的热阻极低,为6.7×10-8m2K/W,HT200×25mm规格。使用这一测量参数进行的仿真表明,该技术将显着降低200W级GaN-HEMT器件的热阻,降至现有器件的61%(相当于表面温度降低80°C)
因此这种技术可以用于生产具有更高输出功率发射器的GaN-HEMT功率放大器。 当用于天气雷达等系统时,用于发射器的GaN-HEMT功率放大器可望将雷达的可观测范围提高1.5倍,这样可以更快地检测到能够产生突然暴雨的积雨云,从而为灾难做好准备。
    富士通计划利用该技术评估GaN-HEMT的热阻和输出性能,并计划在2020年将其应用于高输出、高频功率放大器,应用于气象雷达和5G无线通信系统。这项研究部分得到了收购,技术和后勤局(ALTA)设立的创新科技安全倡议的支持。


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