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高功率工程师的最爱:金刚石
材料来源:《微波杂志》2018年9/10月号           录入时间:2018/10/23 8:15:50

特邀文章

供稿:RFHICAkash Systems Inc.Smiths InterconnectRes-Net MicrowaveNano Materials InternationalMicrowave Journal

高功率工程师的最爱:金刚石

Pat Hindle,《Microwave Journal》总编

如今,如何更有效地散热限制了大多数高功率模拟设备的性能。在目前所知物质中,金刚石具有最高的热导率,许多高性能应用试图将金刚石材料结合到IC基板或封装中以改善散热性能。在本文中,我们总结了许多利用金刚石材料的开发项目和现有产品,涵盖了三个主题:金刚石基GaN、金刚石无源器件和金刚石封装。

金刚石基GaN

TriQuint(现为Qorvo)于2013年4月宣布与布里斯托尔大学、Group 4实验室和洛克希德·马丁公司合作,在美国国防高级研究计划局(DARPA)的近结热传导(Near Junction Thermal Transport,NJTT)项目资助下,生产出了第一批金刚石基GaN晶圆制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)。NJTT是DARPA嵌入式冷却计划的第一项计划,其中包括ICECool基础和ICECool应用程序研发项目。NJTT使用各种冷却技术专注于晶体管结点附近的器件热阻。

这项工作的结果表明,器件散热效果提高了三倍,同时保留了RF性能。这种改进归因于这种金刚石基的GaN工艺的热阻降低了40%,仿真结果表明功率放大器的栅极密度(或输出功率)增加了约3倍1。现在,Qorvo与DARPA和洛克希德·马丁公司在SiC基GaN晶体管的微流体冷却技术上继续开展合作。

与此同时,雷神公司一直在同一个DARPA项目下工作,并开发出了一种在金刚石基板上通过蚀刻实现冷却通道的方法,再将金刚石基板与晶圆连接,避免了在金刚石基板上生长GaN的一些加工问题,同时可以增加液体冷却。雷神公司使用乙二醇/水冷却剂流过100微米的通道流过HEMT高温区域2。雷神公司对SiC基GaN进行薄化处理,并将其连接到蚀刻着冷却通道的金刚石基板上。冷却通道具有高纵横比,利用高通道可以实现冷却面积的最大化。

雷神公司展示了一款宽带连续波(CW)放大器,其输出功率和功率密度是目前用于下一代电子战(EW)系统的基准放大器的3.1倍和4.8倍2。在未来几年内雷神公司计划将ICECool技术从实验室推出投入生产。

2017年,富士通公司和富士通实验室宣布开发出第一种在室温下将单晶金刚石键合到SiC基板上的技术。这克服了之前在非常高的温度下进行GaN与金刚石键合时的最大挑战之一:由于热膨胀系数(CTE)的不匹配而导致的晶片弯曲。

通过用极薄的金属膜保护金刚石表面,富士通成功地防止了损伤层的形成,并通过“室温键合”技术将单晶金刚石键合到SiC衬底上。使用实际测量的热参数进行仿真确认使用该技术的器件热阻将降低至现有的61%。该技术保证了GaN功率放大器在应用于气象雷达等系统时能够以约1.5倍的更高功率工作。

2017年3月,RFHIC宣布他们已从元素六公司收购了金刚石基GaN技术,并计划在2018年底前将该工艺商业化。自2016年以来,他们一直在使用金刚石基GaN技术,并在其声明中称“在可预见的未来,RFHIC将与元素六和代工合作伙伴密切合作,实现10,000个6英寸金刚石基GaN的年产出。RFHIC的技术路线图是在2018年底前发布覆盖40 GHz的金刚石基GaN解决方案。”

参考文献

1.        F. Ejeckam, D. Francis, F. Faili, F. Lowe, J. Wilman, T. Mollart, J. Dodson, D. Twitchen, B. Bolliger and D. Babic, “GaN on Diamond: The Next GaN,” Microwave Journal, May 12, 2014.

2.        C. Adams, “Beating the Heat for Emerging Electronics,” Avionics Today, April/May 2018.

高性能金刚石基GaN放大器的商业化之路

RFHIC,韩国

多年来,由于优异的热导率(1500 W/mK),金刚石已被许多研究人员和公司用于散热器应用。研究表明,与标准的SiC基GaN相比,使用金刚石散热器,射频性能将提高20%。

2014年,元素六(Element Six)收购了Group 4公司,目标是改善金刚石基氮化镓(GoDi)外延片性能,主要是化学气相沉积(CVD)金刚石层的质量和热特性。CVD金刚石沉积工艺的显著改善使得许多研究人员成功地利用金刚石作为衬底将GaN晶体管的功率密度提升了三倍1

随着整个市场对不断提高的功率密度、更小的外形尺寸和更好的射频性能的需求的增加,RFHIC在2016年与Akash Systems合作,从元素六获得了与GoDi技术相关的知识产权。图1为4英寸的GoDi外延片照片。该工艺涉及去除硅基GaN晶圆的硅衬底的相关技术,采用该技术可以使CVD金刚石层直接沉积在GaN表面上。

14英寸金刚石基GaN晶圆

过去研发和报道的GoDi HEMT器件表现出优异的热性能和射频性能,但大多数工作都使用小晶圆(小于4英寸)进行制造。在RFHIC的代工合作伙伴的帮助下,现在可以实现全自动4英寸GoDi HEMT的制造。利用标准SiC基GaN工艺流程,只需做极少的工艺修改就可实现GaN HEMT的工艺生产流程。由于GoDi HEMT晶圆很薄(约120μm厚),因此必须开发出能够承受各种工艺的特殊载体键合技术。

由于金刚石是最硬的自然物质,因此无法使用标准刀片或蚀刻工艺进行划线和钻孔。因而RFHIC开展了利用激光划线和钻孔的研究。RFHIC成功地利用激光钻孔实现了60微米宽槽。RFHIC还在研究开发新的等离子蚀刻工艺,该工艺可显著提升钻孔工艺。

目前,4英寸晶圆正处于加工的最后阶段,2018年6月将获得测量结果。后续文章将报道这些研究工作的详细结果。

参考文献

1.    F. Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J. Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D. Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: A Brief History,” Lester Eastman Conference on High Performance Devices, August 5-7 2014, DOI: 10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number: 14775316.

2.    M. Wu, D. Hou and W.S. Lee, “Fabrication of 4-in. GaN/Diamond HEMT in a Compound Semiconductor Foundry,” CS Mantech 2018, Austin, Texas.

应用于卫星通信的高效散热金刚石基GaN功率放大器

Felix Ejeckam, Ty Mitchell, Kris Kong and Paul Saunier, Akash Systems Inc., San Francisco, Calif.

最先进的商用卫星以100至200 Mbps的速率向地球传输数据;一些先进的大型卫星的理想目标是1到4 Gbps。这些数据速率基本上受制于发射机的射频功率放大器。Akash正在建造首个小型卫星系统(12U),预计下行数据速率为14 Gbps。下一个演示将实现超过100 Gbps的数据速率。最终的技术目标是通过使用金刚石基GaN RF功率放大器,在中型卫星上实现1 Tbps的下行链路数据速率。

金刚石基GaN

Akash Systems公司的联合创始人Felix Ejeckam于2003年发明了金刚石基GaN1,实现了从GaN晶体管中最热的位置有效提取热量。基本概念是较冷的GaN放大器可以使系统更节能、更少浪费。在金刚石基GaN晶圆上,GaN沟道或外延从其原始Si衬底上剥离并通过35nm的SiN界面层结合在CVD金刚石衬底上。这种纳米级的200℃的GaN沟道与具导热性的工业材料CVD金刚石相结合,大大降低了放大器衬底与通道之间的温度上升。图2显示了在金刚石晶圆上制造GaN的工艺流程。多年来,多个研究机构量化了上述热改进2。Si HEMT晶片上的GaN与临时Si载体结合。蚀刻掉原始的Si衬底,然后通过GaN下面的35nm界面层CVD沉积金刚石。最后,蚀刻掉临时Si载体。然后将最终的金刚石基GaN晶圆加工成HEMT或MMIC阵列。

2金刚石基GaN的工艺流程

系统影响

与SiC基GaN相比,如果GaN MMIC的温度升高可以减小40%到50%,那么可在更小的体积内获得更大的功率密度3。功率是卫星下行链路数据速率预算中的直接参数;如果有更多的电能,就可以传输更多的信息。金刚石基GaN可以在非常紧凑的空间内放宽冷却要求,因为环境温度可以比典型的SiC功率放大器系统上升得更高,而不会影响性能或可靠性。冷却装置的减少也意味着减轻重量和尺寸,这也是将卫星系统发射到轨道所花费成本中的关键因素。

性能

Akash设计人员最近在K波段上展示了高性能金刚石基GaN晶体管(即简化功率放大器),在20 GHz时具有60%的功效(PAE)(见图3)。在由DARPA资助并由乔治亚理工学院、斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校和元素六公司的一组研究人员执行的另一项工作中,与SiC基GaN的相同器件相比,金刚石基GaN器件的温度从GaN通道到基板底部的温度变化减少了80℃。这项工作使用的晶圆与Akash Systems使用的是同一金刚石基GaN工艺。

3:一个2.9 W (5.6 W/mm) HEMT样片可以达到61%的功效,此时增益为7.9dB。偏置电压为24V

图4给出了对于金刚石晶片上的各种类型的GaN,从10HEMT的中心到边缘的通道的温度分布。Akash Systems使用“具有低热边界电阻(TBR)的梯度金刚石”工艺实现金刚石基GaN晶圆(绿色)。该曲线记录了152℃的峰值温度(第一个峰值)。在同一位置,SiC基GaN器件的温度为232℃2

4:图表显示了对于金刚石晶片上的各种类型的GaN,从10HEMT的中心到边缘的通道的温度分布。

Akash Systems公司计划于2019年发射一个LEO轨道24千克12U的(36厘米x 24厘米x 23厘米)卫星系统,它将包含一个基于金刚石基GaN功率放大器的20瓦无线电发射机。该系统将实现里程碑意义的14 Gbps数据速率,对于这样尺寸的卫星系统来说是绝无仅有的。

参考文献:

1.        F. Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J. Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D. Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: A Brief History,” Lester Eastman Conference on High Performance Devices, August 5–7 2014, DOI: 10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number: 14775316.

2.        L. Yates, A. Sood, Z. Cheng, T. Bougher, K. Malcom, J. Cho, M. Asheghi, K. Goodson, M. Goorsky, F. Faili, D.J. Twitchen and S. Graham, “Characterization of the Thermal Conductivity of CVD Diamond for GaN on Diamond Devices,” Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS) 2016 IEEE, pp. 1–4.

3.        G.D. Via, J.G. Felbinger, J. Blevins, K. Chabak, G. Jessen, J. Gillespie, R. Fitch, A. Crespo, K. Sutherlin, B. Poling, S. Tetlak, R. Gilbert, T. Cooper, R. Baranyai, J.W. Pomeroy, M. Kuball, J.J. Maurer and A. Bar-Cohen, “Wafer-Scale GaN HEMT Performance Enhancement by Diamond Substrate Integration,” 10th International Conference on Nitride Semiconductors, August 25-30, 2013, Washington, D.C.

高功率金刚石无源器件

超小型高功率金刚石射频电阻器

Smiths Interconnect, Stuart, Fla.

在过去的几十年中,氧化铍(BeO)和氮化铝(AlN)已成为高功率射频电阻器的首选基板材料。这些陶瓷材料具有较高的热导率,足以满足许多应用;然而,由于设计人员在追求更高频率的同时面临着许多SWaP-C(尺寸、重量、功率、成本)挑战,BeO和AlN基板通常并不合适。为了寻求替代技术,射频工程师已转向使用基于CVD金刚石的组件来实现这些需求。

CVD金刚石是使用化学气相沉积工艺生产的单晶碳基底材料。从结构上看,2型合成CVD金刚石基板就像天然金刚石一样,可以与常规射频基板材料采用类似工艺加工形成电路。Smiths Interconnect的CVD金刚石薄膜的新进展通过在CVD金刚石基板上溅射氮化钽(TaN),从而形成了一系列超小型、高性能的电阻器、匹配器和衰减器,称为金刚石射频电阻器(Diamond RF Resistives)。导体材料也被溅射到CVD金刚石上,以形成共晶焊料和引线键合焊盘,使这些电路可以方便地实现如表面贴装、芯片绑定以及法兰等多种安装方式。

在薄膜材料和芯片下方的接地平面之间会产生电容。由于基板尺寸与电容值之间直接相关,典型的CVD金刚石薄膜电阻器耗散相同热量下占用面积减少了8倍(见图5)。此外,由于电容水平与高功率/高频性能的关系,使用这种材料制造的元件不仅在每平方毫米更高的频率下展示出高功率处理能力,而且还表现出更低的寄生性能,即更好的隔离。例如,在CVD金刚石基板上制造的单个0402电阻器可以消耗20 W功率的连续波和200 W功率的脉冲。

5:金刚石电阻器。

当前受益于该技术的应用包括先进的Wilkinson功分器/合路器、隔离器、双结环行器/双工器和放大器反馈网络。作为空间系统的关键因素,雷达和无线基础设施继续推动无源电阻器的性能提升。未来几年,Smiths Interconnect将在射频微波系统的各个方面继续为工程师提供基于CVD金刚石基板的新型金刚石电阻器以及SWaP-C解决方案。

化学气相沉积金刚石无源器件

Res-Net Microwave, Clearwater, Fla.

化学气相沉积法合成的金刚石具有出色的热导率,是铜的三至四倍。另外,化学气相沉积金刚石的低介电常数使它成为高频率和高功率应用中极好的射频介质材料。化学气相沉积金刚石和标准的陶瓷基板的功率密度对比在图6中给出。

6:化学气相沉积金刚石和标准陶瓷基板的功率密度对比。

化学气相沉积金刚石的机械特性和电特性都非常适合用来制作无源器件,比如电阻器、负载和衰减器。利用化学气相沉积材料和现成的薄膜处理技术,这些无源器件可以经受最有挑战性的空间环境。因此,这些器件被用于许多航空航天、军事和商业应用中。

化学气相沉积材料的高热导率使得小型芯片的设计成为可能,这些小型器件可以工作在40GHz以上并保持10瓦以上的连续功耗。此外,对于连续波应用,这些无源器件也非常适用于脉冲功率应用。Res-Net制造了金刚石电阻器、负载和衰减器。样品电阻器的频率范围包括从直流到30GHz,直流到30GHz范围内最大功率20瓦,直流到18GHz范围内最大功率150瓦。负载范围覆盖直流到25GHz,直流到16GHz时最大功率300瓦,直流到25GHz时最大功率50瓦。

金刚石基封装

用于氮化镓器件的铝-金刚石金属基散热器

Kevin Loutfy, Nano Materials International Corp., Tucson, Ariz.

高功率射频和微波晶体管长期使用各种高导热率材料作为基板材料和热载体,包括热导率为400W/mK的铜、铜-钨(200W/mK)、铜-钼(250W/mK)以及铜-钼-铜(350W/mK)。对于氮化镓器件,导热系数高达400W/mK的碳化硅是大多数高性能器件的基板材料。

然而,工业级合成金刚石的导热系数要高很多,范围从1200W/mK到2000W/mK,这使得被消除的热量比其他任何材料都多。近年来,氮化镓器件生产厂家对氮化镓分立器件和MMIC器件作为基板和散热片显著提高的性能越来越感兴趣。目前,在金刚石基板上使用氮化镓的器件不多,但由纳米材料国际公司(NMIC)生产的铝合金-金刚石金属基复合材料(MMC)在各种不同种类的金属基复合材料上的应用越来越广泛(如图7)。

7:不同尺寸的铝-金刚石MMC

铝-金刚石MMC散热器位于模具或封装的下面,无论基板材料的导热系数是不是大约500W/mK均可以使用。铝-金刚石可以在压合工艺中有效发挥作用,其产量相当于甚至优于传统的散热器材料。NMIC的铝-金刚石复合材料采用的是一种渗入到工业级金刚石颗粒封装中的铝合金合成物。

金刚石可以提供优异的导热性,铝提供结构和CTE分配,以及非常光滑的表面,在顶部和底部作为碳化硅堆叠连接面。NMIC生产铝-金刚石复合材料的工艺流程如图8。渗透过程产生的铝-金刚石板,称为“母板”,从母板上切割多个零件,用铝-金刚石复合材料进行尺寸优化,以满足零件尺寸要求,这就减少了母板在切割过程中产生的废料。然后这些零件被镀镍和镀金以生产最终产品。开发过程中存在一定的挑战,与两种材料之间的接触面有关。为了解决这个问题,NMIC提出一种技术用于将金刚石的表面转化成碳化硅,这项技术已被该公司申请专利。

8NMIC的铝-金刚石MMC的生产过程。

在过去的几年里,这个生产过程已经变得非常有特色,铝-金刚石复合材料都是低成本高效益的,并且可以在大尺寸如45mm×45mm应用,远大于其他金刚石基替代品,那些替代品的应用均受限于其尺寸或厚度。客户在高可靠性和太空级应用场景中的密封包装和非密封包装时均可使用该复合材料,这些应用场景都有严格的热循环要求。

除了高热导率,稳定的CTE对于一个连接到晶体管封装上的材料来说也是必不可少的。铝-金刚石的CTE与其他工程材料的CTE相等,但在尺寸较大的情况下,铝-金刚石的稳定性使其脱颖而出,其CTE为6.5-7.5ppm/K,接近氮化镓。

在短短几年时间里,对铝-金刚石复合材料的改进使这项技术变成了一种能够替代其他散热材料的技术。它利用了金刚石固有的高导热率,同时还可以大量制造和提供比单独金刚石更好的CTE性能。

用于氮化镓太空应用的金刚石-银复合封装

Richard Mumford,《Microwave Journal》国际编辑

作为欧盟Framework Programme 7的一部分,从2010年10月1日至2012年3月31日开展的先进氮化镓封装项目的目标是太空应用,使欧洲能够在竞争激烈的航天工业中保持强大的地位。布里斯托尔大学、Plamsee SE、联合单片半导体公司和Thales Alenia Space在合作成果中,强调了对金刚石-银基板材料的研究1。提出了一种新型的氮化镓电子器件封装方案,用于高效提取高功率器件所需的热量,首次说明了以金刚石-银复合材料作为封装基板对氮化镓器件自加热的影响。

由银合金基体中的金刚石颗粒组成的金刚石-银复合材料在室温下具有高达650W/mK的优异导热率,且CTE接近半导体材料,明显大于传统封装材料如CuW的导热率。

在这项研究中,在AlGaN/GaN多叉指HEMT(18叉指的电源板)上进行了微拉曼热成像测量,以确定不同功率水平下的器件温度。该装置通过使用标准的AuSn焊料连接到金刚石-银复合材料和CuW基板上。为了评估两种材料在热管理效率方面的差异,图9给出了不同功率值时器件中心叉指处拉曼测量的温度。即器件峰值温度升高,而背后的基板温度保持在25摄氏度。

9AlGaN/GaN HEMT器件(18叉指电源板)焊接到金刚石-银复合材料和CuW基板时,中心叉指的峰值温升与耗散功率的函数关系。

安装在金刚石-银复合基板上的器件的峰值温度大约是安装在CuW基板上的器件的峰值温度的一半,特别是在高功率情况下,这是器件工作的标准。外面叉指的温度也有同样的趋势。然而由于串扰效应,中心叉指的温度更高。

此外,从热提取的角度来看,也存在明显的改善,对设备可靠性和系统需求有明显的好处。该装置的三维有限元模型被建立起来进行仿真,并与实验数据进行了对比。仿真结果与实验结果吻合较好。图10展示了与CuW基板上的温度分布相比,整个装置上的金刚石-银的温度分布。同样的,在镀金刚石-银复合材料的设备中,温度有明显降低。

10:耗散功率为30WAlGaN/GaN HEMT18叉指电源板)温度分布。(a)焊接在CuW基板上的器件;(b)焊接在金刚石复合材料基板上的器件1

该项目的最终报告称:“L波段HPA已经取得了最先进的成果,反映了基板材料对射频功率模块的强大影响。在L波段可以获得高达65%的PAE以及180W的射频功率,而无需调整使用金刚石-银基板材料的功率模块。对于CuW标准微封装的类似设计,PAE的增益约为10个点。”

参考文献

1. M. Faqir, T. Batten, T. Mrotzek, S. Knippscheer, L. Chalumeau, M. Massiot, M. Buchta, J. Thorpe, H. Blanck, S. Rochette, O. Vendier and M. Kuball, “Novel Packaging Solutions for GaN Power Electronics: Silver-Diamond Composite Packages,” CS MANTECH Conference, May 2010.


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