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TechnicalFeature 技术特写
高性能GaN热评估——红外显微镜
的限制
High Performance GaN Thermal Evaluation - Limitations of Infrared Microscopy
Dylan Murdock、Mark C. Woods，Qorvo公司
本文旨在探讨红外显微镜用于测量高性能微波GaN HEMT器件和MMIC时的限制。此
外，还将描述Qorvo采用建模、实证测量（包括微型拉曼热成像）和有限元分析(FEA)的综
合热分析方法。该方法极为有效，且经过实证检验。通过确认红外显微镜的限制，可实现
比采用较低功率密度技术开发的传统方法更精确的预测和测量。
GaN器件热估算
Qorvo GaN产品的热估算方法见图1。为构
建特定工艺的基准热模型，使用场效应晶体管的
非线性模型进行 GaN器件的电气仿真，以获得针
对发热量的估算数据，从而可对热性能做出初步
预测。然后对器件进行实体制造与测试。
实证热数据通过电气测量和微型拉曼测量
来收集。拉曼热成像是一种基于拉曼散射光谱
的非侵入式光学技术，可实现亚微米空间内的
1
温度测量，时间分辨率可达纳秒级别。 它探测
材料中由温度引起的声子相对于基准声子频率
的偏移（声子频率在环境温度下测定）。 2
拉曼热成像已成为针对较小物理尺寸的一
图2：GaN 器件级热模型。
种重要的高保真方案。它经过改进，能为低至
0.5μm以及微米级的深度分辨率提供经过验证、 型。该模型可用作热性能建模和预测的基准。
精确且可重复的空间分辨率，以实现真3D热成 微型拉曼测量和FEA之间通常需多次迭代才能构
像。传统红外(IR) 热成像测量所涉及的横向空间 建模型，进而提供不同几何尺寸与材料堆叠的
平均值计算会导致器件峰值温度被低估，拉曼 良好相关性。
热成像针对这一情况进行了改进。 有限元仿真用来确定在特定较高温度下使
包括微型拉曼和电气测量在内的组合式测 器件工作所需的功率和环境条件，以便正确加速
量法应与热仿真一同使用，以获得有关GaN器件 和测量器件寿命。测得的寿命数据用于构建器件
热属性的精确信息。 可靠性Arrhenius曲线。如今
采用测量数据作为实证基准可构建FEA模 的GaN晶体管包括尺寸小至
0.15μm及以下的栅极长度，
适用于高级GaN技术的Qorvo热模型建模流程
这意味着微型拉曼热成像依
开发适用于
新流程的粗糙FE模型 然对部分区域进行了平均值
计算。采用这种方法，则这
微型拉曼测量
些平均值反映在热模型和器
件可靠性Arrhenius曲线中。
改善FE模型， 基于FE模型温度目标的 Arrhenius曲线
以匹配微型拉曼测量 可靠性测试 该工艺实现了紧密耦合的平
均无故障时间（MTTF）曲
简化FE模型，
以进行大规模仿真 线与产品级热分析，可精准
预测产品寿命。
封装级FE模型
（特定裸片/产品） 产品数据手册 完成基准热模型 开发
后，便可利用FEA精准预测产
封装级FE模型的 调整封装模型，
粗略检查 以匹配红外能力 品级通道温度和热阻。FEA始
于裸片级仿真，经过封装级
红外测量 直至系统级，并在系统级检查 图3：典型GaN FET
已封装产品的下一级较高装配
图1：GaN 热建模流程。 单管的红外图。
44 Microwave Journal China 微波杂志 May/Jun 2018
