高性能系统的氮化镓热分析

        典型的红外显微镜采集中波红外(MWIR)频谱光线。MWIR测量的空间分辨率理论极限值可通过瑞利判据计算得到：

D = 可解析目标之间的距离；λ = 波长（MWIR为3-5μm）；N.A. = 数值孔径（不可超过1）。
为了演示测量GaN器件时红外分辨率限制的影响，在此构建了一个GaN器件的半对称有限元模型。假设该模型对于y轴左右对称。该仿真将器件置于0.040"厚的铜钨合金基板上，并使用AuSn工艺贴装芯片。在CuW基板上施加85℃边界条件。

        在沟道下方施加典型的GaN器件容积热载荷，得到的3D温度场如图2(a)的等高线图所示，相应的表面温度如图2(b)所示。
        仿真期间记录的峰值温度为204℃，位于GaN沟道中点（对此半模型为x = 0）。该条件发生在基板表面下方，无法通过红外热成像显现。表1列出了红外测量记录的表面区域的最高温度和平均温度。这些表面区域如图3(a)到3(d)所示。

        在这个理想示例中，使用红外热成像来对通道上方的2.5μm x 2.5μm表面区域成像（具有代表性的红外分辨率极限），得到的测量值低估了峰值沟道温度，低估值为8-15℃。偏移范围是由于无法精确对齐沟道最热区域顶部的一个像素中点所导致的。图3(b)和3(d)显示使沟道处于像素成像区域边界的像素对齐影响。这种情况下，2.5μm x2.5μm区域的平均表面温度会低估最高通道温度，低估值超过15℃。使用5μm x 5μm面积会使误差扩大到21℃。

        对于GaN热分析，亚微米工艺可用来制造热点远小于0.5μm的晶体管，而红外显微镜只能解析——就完整的细节而言——振幅大一个数量级的波。

       此外，红外热成像仅测量晶体管的表面温度，而峰值温度实际上发生在表面下方的氮化镓外延层。在半导体材料的热时间常数高于热源脉冲宽度的工作情况下，这种测量温度的降幅将扩大，影响测量温度范围。

       最后，芯片表面的辐射系数(ε)快速变化。常见的解决方案是在芯片上喷涂哑光黑，以得到接近ε = 1的结果，但无法真正创建一个持续的黑体。

       这里展开讨论了上述示例中辐射系数的影响。假定测量面积为理想小面积，可以看到红外热成像低估了峰值GaN通道温度，低估值高达34℃。

       这会产生另一个挑战，即涂料对芯片产生介电负荷，它可能难以预测，且通常是不连续的。这会改变射频性能，进而影响精度和可重复性。

2.2 辅助验证—射频测试

        辅助验证方法包括在预计沟道温度为200℃（举例而言）的条件下装配并测试器件。如果射频性能发生偏移，则可能与功率输出的温度灵敏性有关。

       通过多种方法进行热分析时，重要的是，须记住适当FEA边界条件假设的重要性和红外显微镜的局限性，模型输出在数据手册和应用中均要更精确可靠。

3 芯片贴装方法

3.1 考虑环氧树脂相比焊接方式产生的接触电阻

        导电环氧树脂与焊接相比，一般可忽略接触电阻，并且假定环氧树脂接点处的热传导性与环氧树脂数据手册中的一致。首选方法是将焊接性能基准实证化，然后决定与焊接有关的环氧树脂实际性能，以便支持更精确的仿真和权衡取舍研究。这使得接触电阻成为环氧树脂接点热阻抗的重要贡献因素。如果数据手册中的数值用于无接触电阻的模型中，则会导致热阻计算的过度优化。

3.2 影响器件工作温度的要素：芯片贴装性能

        芯片贴装热性能对于器件的工作温度来说是一个非常重要的影响因素，热建模的挑战之一是为其找到精确的估值。

        芯片贴装焊接/环氧树脂供应商通常只列出产品的体导热率(k)。这只是总芯片贴装热阻抗的一个分量。胶层厚度、界面阻抗、空洞和填充特性等都会影响热阻，且这些因素在很大程度上取决于点胶和固化工艺。此外，芯片贴装完整性与性能受材料属性和被黏合的两种材料的表面特性所影响，通常需要进行实验才能了解芯片贴装解决方案的工作性能。