富士通的單晶金剛石和碳化矽(SiC)襯底焊接新型電子散熱技術

 
       早幾年,富士通公司及其子公司富士通實驗室公司(Fujitsu Laboratories Ltd)曾在半導體接口專家會議上介紹了據稱是第一個室溫下實現單晶金剛石和碳化矽(SiC)襯底焊接新型電子散熱技術,關鍵是這兩者都是硬質材料,但具有不同的熱膨脹係數。
  使用這種技術散熱可以高效率地冷卻高功率氮化镓(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT),從而使功率放大器在高功率水平下穩定工作。
  傳統GaN HEMT——SiC襯底散熱
  近年來,高頻GaN-HEMT功率放大器已被廣泛用於雷達和無線通信等遠程無線電領域,預計還將用於天氣雷達觀測局部暴雨,或者即將出現的5G毫米波段移動通信協議。對於這些使用微波到毫米波頻段雷達或無線通信係統,通過提高用於傳輸的GaN-HEMT功率放大器的輸出功率,無線電波能夠傳播的距離將增大,可擴展雷達觀測範圍,實現更遠和更高容量的通信。
GaN HEMT功率放大器的一些輸入功率會轉化成熱量,然後分散到SiC沉底。由於提高雷達和無線通信的射程和功率也增加了器件產生的熱量,這對其性能和可靠性產生不利影響,因此需要將器件熱量有效地傳輸到冷卻結構(散熱片)。
  金剛石-SiC散熱
  盡管SiC襯底具有相對較高的導熱率,但是對於具有越來越高的功率輸出的器件而言,需要具有更好的導熱率的材料以有效地將器件熱量運送到冷卻結構。 單晶金剛石具有非常好的導熱性-幾乎是SiC襯底的5倍 - 被稱為可以有效散熱的材料。
  金剛石-SiC鍵合方法
  為了將單晶金剛石鍵合到作為冷卻材料的器件上,正常的生產過程使用氬(Ar)束去除雜質,但這會在表麵形成低密度的受損層,這會削弱單晶金剛石可能形成的鍵合。此外,使用諸如氮化矽(SiN)的絕緣膜用於鍵合,由於SiN存在熱阻會削弱導熱性。
  為了防止Ar束在金剛石表麵形成損傷層,富士通開發了一種技術,在暴露於Ar束之前用極薄的金屬膜保護表麵。 為了確保表麵是平麵的(為了在室溫下良好的鍵合),金屬膜的厚度需限製在10nm或更薄。
    這種技術被證實可以防止Ar束暴露後在金剛石表麵形成損傷層,從而提高了鍵合強度,從而使得單晶金剛石在室溫下與SiC襯底鍵合。
熱阻測試結果
  在室溫下測量了粘樣品的熱阻,發現SiC /金剛石界麵的熱阻極低,為6.7×10-8m2K/W,HT200×25mm規格。使用這一測量參數進行的仿真表明,該技術將顯著降低200W級GaN-HEMT器件的熱阻,降至現有器件的61%(相當於表麵溫度降低80°C)
因此這種技術可以用於生產具有更高輸出功率發射器的GaN-HEMT功率放大器。 當用於天氣雷達等係統時,用於發射器的GaN-HEMT功率放大器可望將雷達的可觀測範圍提高1.5倍,這樣可以更快地檢測到能夠產生突然暴雨的積雨雲,從而為災難做好準備。
    富士通計劃利用該技術評估GaN-HEMT的熱阻和輸出性能,並計劃在2020年將其應用於高輸出、高頻功率放大器,應用於氣象雷達和5G無線通信係統。這項研究部分得到了收購,技術和後勤局(ALTA)設立的創新科技安全倡議的支持。


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