GaN-системы высокой производительности – особенности теплового анализа

Сегодня широко востребованы интегральные схемы усилителей, рассчитанные на большую выходную мощность (десятки ватт и выше) и в то же время имеющие относительно малые размеры. Для создания таких устройств подходят структуры нитрида галлия на подложках из карбида кремния (GaN-on-SiC), которые позволяют получить высокую удельную плотность мощности – более 5 Вт на миллиметр затвора транзистора. Для проектирования GaN-систем необходимы модели, корректно описывающие тепловые режимы их работы. В чем специфика теплового моделирования GaN-устройств?

Для того чтобы полностью учесть тепловые эффекты в GaN-устройствах, был разработан комплексный подход, включающий электрическое моделирование кристалла (die-level electrical modelling), проведение экспериментов и  расчеты на  основе метода конечных элементов (МКЭ). Рассмотрим этапы реализации и  особенности данного подхода.

Тепловое моделирование и измерения 

Для создания базовой тепловой модели сначала проводится электромоделирование GaN-устройства. Полученные на его основе оценки тепловыделения позволяют предварительно определить температурное поле (рис.1). Затем устройство изготавливают и тестируют. Эмпирические данные для тепловой модели получают посредством измерения электрических параметров (удельного сопротивления и  токов) и  рамановской термографии – неинвазивного оптического метода, основанного на спектроскопии комбинационного рассеяния. Термография позволяет измерять температуру зон размером доли микрона с наносекундным разрешением по времени. Это дает возможность уловить изменение в частоте температурно-индуцированных фононов в  исследуемом материале по  сравнению с  частотой фононов, измеренной при комнатной температуре. Дополнительные детали измерений методом микрорамановской термографии описаны в [1, 2].

Комбинация методов измерения, включая рамановский и  электрический, в  сочетании с  тепловым моделированием позволяет получить достоверные данные о тепловых свойствах GaN-материала. Измеренные характеристики используются для создания конечно-элементной модели, на  основе которой прогнозируется поведение устройства при различных значениях температуры. Как правило, требуется несколько итераций между микро-рамановской термографией и методом конечных элементов для создания реальной тепловой модели устройства, учитывающей его геометрию, свойства материалов и др. Метод конечных элементов используется для определения мощности и условий окружающей среды, необходимых для работы устройства при заданной температуре. На  основе этой информации можно оценить надежность устройства и  построить для него кривую Аррениуса. Сегодня длина затвора GaN-транзистора составляет 0,15  мкм и  меньше. Это означает, что при микро-рамановской термографии происходит усреднение измеряемых параметров по площади, что находит отражение в тепловых моделях и кривых Аррениуса. На  основе результатов моделирования можно определить среднее время наработки на отказ (Mean Time To Failure, MTTF) и достаточно точно предсказать срок службы изделия.

Тепловой анализ

Когда основа для тепловой модели готова, МКЭ используется для определения температуры подзатворного канала и термического сопротивления устройств. Метод конечных элементов сначала применяется для моделирования бескорпусного устройства, потом – устройства в  корпусе и, наконец, всего изделия, включая микросборки и  т.д. Важно выбрать правильные граничные условия, учитывать влияние сделанных допущений. Некорректные допущения, заложенные в  граничные условия, зачастую приводят к ошибкам в проектировании и, как следствие, отказам в работе готовых изделий.

Использование ИК-измерений и их ограничения

ИК-микроскопы – широко распространенное средство поиска мест дефектов или точек перегрева в полупроводниковых устройствах (рис.2). Однако ИК-методы имеют ограниченное применение из-за малой пространственной разрешающей способности. ИК-микроскоп не  может выделить элемент величиной с  активную область транзистора [3]. Поэтому ИК-измерения неизбежно дают усредненные результаты, так как каждый пиксель ИК-изображения включает холодные неактивные зоны вокруг горячих участков. Другими словами, когда выполняется ИК-измерение области шириной, например, 0,25  мкм результат может быть на  20–30°C ниже максимальной температуры активной области.

Чтобы показать недостатки, связанные с недостаточной разрешающей способностью при ИК-измерениях GaN-устройства, была построена симметричная модель конечных элементов, из  которых оно состоит. Модель имеет продольную симметрию относительно оси Y (рис.3). Предполагается, что устройство припаяно к медно-вольфрамовой (CuW) основе толщиной 0,04  дюйма золотооловянным составом. В  качестве граничного условия задана температура CuW-основы 85°C.

Объемная тепловая нагрузка, типичная для GaNустройства, была приложена к подзатворному каналу. В результате моделирования получены трехмерное распределение температурного поля (рис.3а) и соответствующая температура поверхности (рис.3б).

Самая высокая температура 204°C зафиксирована в  ходе моделирования в  средней точке GaN-канала (координата x=0 для данной полумодели). Эта точка находится под поверхностью и не может быть отображена на ИК-термограмме.

Данный пример демонстрирует, что применение ИК-термографии для измерения температуры области размером 2,5×2,5 мкм, соответствующим предельному разрешению данного метода, дает результат, который на 8–15°C ниже пикового значения в канале (табл.1, рис.4). Разброс отклонений связан с  невозможностью точно совместить пиксель изображения с самой горячей секцией канала. На рис.4б и 4д показано влияние сдвига, при котором пиксель ИК-изображения попадает на границу GaN-канала. В этом случае, при размере области 2,5×2,5 мкм измеренная температура оказывается ниже максимальной на  15 °C, а  если размер области составляет 5,0×5,0 мкм, то на 21°C.

Таблица 1. Оценки температуры различных областей

Измеренная зона или область поверхности Размеры, мкм Выравнивание относительно горячей точки Истинное значение максимальной температуры, °C Температура поверх- ности, измеренная ИК-способом, °C
Смоделированное GaN- устройство - - 204,3 -
Область 1 2,5×2,5 Центрирована - 195,9
Область 2 2,5×2,5 Сдвинута - 189,1
Область 3 5,0×5,0 Центрирована - 188,3
Область 4 5,0×5,0 Сдвинута - 188,0

Процессы, задействованные при изготовлении GaNтранзисторов, имеют размерности в доли микрометров, а  локальные области перегрева значительно меньше 0,5 мкм. В то же время ИК-микроскопия, как отмечалось выше, способна детально отображать лишь объекты на порядок большего размера.

Кроме того, ИК-термография измеряет температуру только поверхности GaN-транзистора, а область с пиковой температурой зачастую расположена под поверхностью. Занижение температуры оказывается еще сильнее в случае импульсного режима работы транзистора, поскольку из-за большой тепловой постоянной времени полупроводникового материала область над горячей зоной не успевает прогреться за время между импульсами.

И, наконец, следует отметить, что излучательная способность (ε) поверхности кристалла значительно варьируется. Распространенное решение  – выкрасить поверхность кристалла в черный цвет, чтобы достичь ε, близкого к 1, но стабильное значение ε на практике обеспечить невозможно.

При учете эффекта изменения излучательной способности ИК-термография может давать температуру, заниженную на 34°C по сравнению с максимальной (табл.2). Еще одна проблема заключается в  том, что в  случае окрашивания на  кристалле появляется диэлектрический слой, а  это приводит к  трудно прогнозируемому изменению его СВЧ-характеристик.

Дополнительная проверка – СВЧ-тестирование

Дополнительная проверка результатов моделирования включает сборку устройства и  его тестирование в условиях, когда ожидаемая температура канала равна, например, 200°C. Изменение СВЧ-свойств в результате нагрева может быть сопоставлено с вариациями температуры в зависимости от выходной мощности.

Особенности контакта кристалл-подложка 

Один из важнейших факторов теплового моделирования – нахождение термической проводимости контакта кристалл–подложка (или кристалл–корпус).

Производители припоев и эпоксидных составов часто указывают только объемный коэффициент теплопередачи (k) своих продуктов. Но это лишь одна из составляющих общего термического сопротивления контакта кристалл–подложка, которое зависит также от толщины полосы припоя, термического сопротивления промежуточного слоя, удельных характеристик теплопроводности припоя/ эпоксидного слоя и др. (рис.5). Кроме того, качество и характеристики контакта определяются свойствами контактирующих материалов и особенностями их поверхностей.

Проиллюстрируем важность точного определения параметров контакта. В  данном примере моделировался GaN-усилитель мощности в  QFN-корпусе. Была построена зависимость максимальной температуры канала от  термического импеданса контакта RD/A" (рис.6). По  мере того как RD/A" стремится к  нулю (например, в  результате улучшения свойств контакта), максимальная температура подзатворного канала TCH увеличивается, приближаясь к  границе, определяемой термическим сопротивлением кристалла и  QFN-корпуса. Левая вертикальная пунктирная показывает RD/A", рассчитанный только на основе измеренной длины перехода L и  коэффициента теплопередачи, предоставляемого поставщиком. Правая вертикальная пунктирная линия соответствует RD/A", измеренному в лаборатории.

Таблица 2. Влияние излучательной способности на определение температуры

Измеренное тело или область Размер, мкм Излучательная способность Истинная температура, °C Измеренная температура поверхности, °C
Смоделированный GaN-транзистор - - 204,3 -
Область поверхности 2,5×2,5 - 189,1
Область поверхности 2,5×2,5 0,9 - 170,2

Для данной комбинации кристалл–корпус TCH оказывается заниженной на  40°C, если не  учитываются термические сопротивления поверхностей кристалла и QFN-корпуса. Рабочая мощность рассеяния для кристалла в данной модели PDISS=23 Вт. Если общее термическое сопротивление корпуса Rθ рассчитывается без учета сопротивления поверхностей, то  получается некорректный результат:

Rθ =(TCH –TBASE)/PDISS=(180°C–100°C)/ 23 Вт=3,5 °C/Вт,

в то  время как реальное термическое сопротивление (при TCH =220°C) равно 5,2 °C/Вт.

Опции корпусирования от компании QORVO

Qorvo – признанный мировой лидер в технологии GaN – занимается разработкой различных GaN-продуктов. Нитридная технология активно развивается, но существу-ющие методы корпусирования не  могут удовлетворить требованиям мощных GaN-приборов. Это касается максимальной мощности, которую способны передать корпуса. Компания Qorvo предлагает заказчикам опции корпусирования, пригодные для использования в самых разных приложениях. Остановимся подробно на решениях GaN на меди и GaN в пластике, представленных в 2014 году.

GaN на меди

Спрос на  высоконадежные, мощные и  крупные кристаллы, размещенные в  медных корпусах, постоянно растет. Компания Qorvo разработала медные фланцевые корпуса с  выводами, которые способны передать достаточно высокую мощность (десятки и  сотни ватт) и могут содержать внутри себя кристаллы различных типов. Тепловые характеристики медных фланцев лучше, чем у аналогов с низкими коэффициентами термического расширения (КТЕ), что повышают надежность систем, построенных с их применением.

GaN в пластике

Компания Qorvo предлагает также GaN-компоненты в пластиковых корпусах очень малых размеров (например 3×3  мм) и  к  тому  же стоящих совсем недорого (несколько долларов за штуку), но при этом способных передать мощность до десятков ватт. Коэффициент термического расширения материалов пластиковых корпусов близок к КТЕ материалов печатных плат, поэтому уровень надежности систем, содержащих такие корпуса, достаточно высокий. Благодаря малым размерам и поведению на СВЧ-частотах (компактные выводы снижают паразитные параметры) эти корпуса – оптимальный вариант для замены фланцевых модулей с аналогичными характеристиками.

В заключении остается отметить, что рассмотренная комбинация методов теплового моделирования учитывает ряд особенностей GaN-структур и  позволяет создавать системы, которые обеспечат надежную работу в различных приложениях.

Авторы и литература

Над статьей работали:

  • Д.Мердок, Qorvo, инженер сборки микросхем и корпусирования 
  • М.Вудс,Qorvo, инженер сборки микросхем и корпусирования
  • Г.Кон, Макро Групп, руководитель направления ВЧ, силовые и оптические компоненты, George.Cohn@macrogroup.ru

Используемая литература:

  1. Killat N., Kuball M, Chou T.-M., Chowdhury U., Jimenez J. Temperature Assessment of AlGaN/GaN HEMTs: A Comparative study by Raman, Electrical and IR Thermography. – Relability Physics Symposium (IRPS), 2010 IEEE International, DOI: 10.1109/IRPS.2010.5488777.
  2. Pomeroy J., Bernardoni M., Kuball M., Dumka D.C., Fanning D.M. Low Thermal Resistance GaN-on-Diamond Transistors Characterized by 3-D Raman Thermography Mapping. – Appl. Phys. Lett. 104, 083513 (2014).
  3. Kiefer S., Nair M., Sanders P., Steele J., Sutton M.,Thoma R., Wilson S., Albright G., Li C., McDonald J. Infrared Microthermography for Integrated Circuit Fault Location; Sensitivity and Limitations. – ISTFA 2002: Proceedings of the 28th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ASM International). Р. 163.
Обратная связь

Нажимая кнопку "Отправить" вы даёте согласие на обработку персональных данных