MMIC芯片的散热技术研究*

何 恩，周 霞，李 欣

(1. 中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036；2. 中国人民解放军95899部队， 北京 100085)

引 言

随着微电子技术的飞速发展，微电子芯片的应用已经遍及日常生产生活中。特别是在国防安全领域，发展趋势是将更复杂的系统缩小成芯片级的封装，把微电子、光电子、微机械系统(MEMS)集成为具有新能力的“片上系统”，这种集成的模型大大减小了芯片的尺寸。第三代半导体芯片(GaN)的晶体管输出功率较第二代(GaAs)提升了近10倍。未来芯片的热流密度将与太阳表面的热流密度相当[1]。传统IC器件的热阻表征方法将芯片内部看作黑盒子，而MMIC(单片微波集成电路)芯片的内部功率密度很高，内部沟道发热非常复杂，以MMIC芯片热阻参数计算出来的沟道温度与实际测试的沟道温度相差几十度。随着芯片的性能指标、功率密度以及可靠性要求的进一步提高，对芯片热设计的准确性要求也越来越高。

1 MMIC芯片热阻表征

IC器件的外形尺寸和外部线路位置是标准化的，但不同生产厂商的元器件的内部结构、材料和线路技术却不相同。因此，相同外形标准而厂商不同的芯片可能在热特性上存在较大差异，而芯片生产厂商不会公开元器件内部的详细设计参数。

固态技术学会(JEDEC)是微电子产业领导标准机构，它对IC硅芯片的热特性评价的一般办法是依据式(1)对芯片热阻进行定义。根据硅芯片的结到封装外壳的温差确定结壳热阻RJC，一般厂商提供的RJC误差为±30%。IC器件的结构见图1。

TJ-TC=RJCP

(1)

式中：TJ为硅芯片器件的结温，硅芯片一般为均匀发热体；TC为封装外壳表面的温度；P为器件的热功耗[2]。

图1 IC器件结构示意图

将式(1)应用到MMIC芯片时，由于MMIC芯片内部有多处不同的沟道，每个沟道有不同的工作模式，因此，沟道温度分布并不相同，导致TC随不同应用场景发生变化，如图2所示。因此，式(1)在用于MMIC芯片热阻评价时有一定的局限性，无法准确表达MMIC芯片内部复杂的热源和传热现象，也无法准确预测芯片的内部沟道结温，只能作为性能对比参考。

图2 MMIC芯片不同应用下的热成像温度分布

由于芯片上的沟道热源并列排列在芯片上，如图3所示，因此热阻计算可采取与电阻计算类似的算法，其总热阻为：

(2)

式中：Ai为沟道热源的面积；L为热源到热台面的距离，即载体的厚度；k为载体的导热系数。式中忽略芯片厚度。

图3 MMIC芯片散热示意图

由式(2)可以看出，MMIC芯片贴装所用的载体材料和厚度对热阻的影响较大。一般厂商在提供热阻参数时，不会提供载体的参数，这将影响对芯片内部沟道结温的预测。

2 MMIC芯片热阻仿真

MMIC芯片是在砷化镓或氮化镓材料上刻蚀非常复杂的集成电路而成。通常芯片的厚度小于0.1 mm，集成电路内部沟道发热非常复杂和极端。内部沟道的尺寸很小，热流密度很高，往往在0.1 mm2面积上就有1 W的热耗。通常简化的热阻公式很难预测MMIC芯片复杂的内部沟道温度，而且MMIC芯片载体的材料属性对热阻的影响很大。因此，通过仿真方法研究MMIC芯片的热阻非常必要。

以某GaAs芯片为例，见图4(a)，其尺寸为5 mm × 6.346 mm × 0.075 mm，厂商提供的热阻为2.9 ℃/W，功率为12 W。以硅铝材料作为该芯片的载体对芯片的热阻进行测试，用热成像仪可以观测到内部沟道温度。沟道热源的尺寸为0.2 mm × 0.5 mm，总共12个热源，每个热源的功率为1 W，芯片与载体的接触热阻为0.05 ℃/W，芯片内部沟道温度见图4(b)。

图4 MMIC芯片内部沟道温度

采用不同的载体对该MMIC芯片内部沟道温度进行仿真，见图5，测试和仿真对比见表1。

图5 MMIC芯片内部沟道温度仿真

类型载体热导率/(W·m-1·K-1)壳体温度/℃沟道温度/℃热阻/(℃·W-1)资料硅铝120——2.90测试硅铝12066.8102.02.93图5(a)硅铝12065.0101.03.00图5(b)钼铜17065.096.82.65图5(c)铜钼铜28065.093.12.34图5(d)金刚石-铜55065.090.22.10

由表1可见，以硅铝作载体对该MMIC芯片热阻的仿真与实测偏差2.3%，这表明仿真可以较好地反映MMIC芯片的内部热阻；芯片的热阻与载体材料的相关性很大。通过该仿真技术可以有效地预测芯片贴装的热阻并用于新型载体材料的筛选。通过使用新材料和新技术等手段减小热阻是强化传热最有效的途径之一[3]。

3 MMIC芯片散热技术

3.1 MMIC芯片散热材料的发展

MMIC芯片载体材料的热导率是影响MMIC芯片热阻的关键参数，一般热导率超过400 W/(m·K)就被认为是超高热导材料。随着技术的进步，MMIC芯片的载体材料从第一代的可伐合金发展到第四代的金刚石-铜，见表2。

表2 MMIC芯片载体材料

超高热导材料作为芯片载体可以有效提高散热能力，降低芯片内部沟道温度。通过对金刚石-铜及铜钼铜2种载体的功放芯片施加相同的偏置(无射频激励)，在常温25 ℃条件下，在相同的热台上用热成像仪测试芯片沟道温度。金刚石-铜载体上芯片的最高沟道温度为97 ℃，铜钼铜载体上芯片的最高沟道温度为109 ℃，金刚石-铜的散热效能较铜钼铜优12 ℃。

3.2 下一代MMIC半导体材料

与以硅和砷化镓为代表的传统半导体材料相比，碳化硅半导体材料是第三代半导体材料，具有500 W/(m·K)的高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，因而是半导体材料领域最有前景的材料之一[4]。

金刚石是一种宽禁带半导体材料，带隙宽度为5.5 eV。它具有极其优异的物理性质，如高载流子迁移率(电子为4 500 cm2/(V·s)，空穴为3 800 cm2/(V·s))、高热导率(2 200 W/(m·K))和低介电常数等优异的电学性质，能够在高频、高功率和高温高压等十分恶劣的环境中运行。金刚石通过掺杂可呈现N型导电和P型导电，性能远超GaAs、GaN和SiC等材料，通过气相沉积法可以得到高质量的金刚石[5]。金刚石还可以采用金刚石基-氮化镓制造工艺，在SiC晶片上生长GaN层，腐蚀掉Si层后采用气相沉积法生长金刚石衬底。

金刚石因其优异的性能参数而被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料。

4 结束语

由于MMIC芯片内部复杂的热源和传热以及不同的芯片载体材料等因素，采用固定热阻并不能准确预测芯片的内部沟道温度。通过仿真和实测的对比，可以认为仿真能够准确模拟MMIC芯片内部沟道温度。通过仿真和计算，本文认为MMIC芯片散热技术的核心在于芯片载体材料的热导率，采用超高热导材料可以实现芯片散热性能的提升。

金刚石具有超高热导率、高载流子迁移率和高击穿场强等优异性能，在电力电子器件中的应用更具优势，最有希望成为下一代MMIC芯片的新型半导体材料。

[1] 钱吉裕. 军用电子设备热设计面临的挑战及对策[C]// Flotherm U2U上海用户大会, 2013: 56-58, 61.

[2] HARPER C A. Electronic Packaging and Interconnection Handbook[M]. New York: McGraw-Hill, 1991.

[3] 苏力争, 钟剑锋, 唐宝富, 等. 高效热扩展技术在干式T/R组件散热中的对比研究[J]. 电子机械工程, 2014, 30(1): 7-10, 18.

[4] 王守国, 张岩. SiC材料及器件的应用发展前景[J]. 自然杂志, 2011, 33(1): 42-45, 53.

[5] 陈亚男, 张烨, 郁万成, 等. 金刚石半导体材料和器件的研究现状[J]. 微纳电子技术, 2017, 54(4): 217-228.