改善GaN HEMT热不稳定的研究
发布时间：2021-03-07 14:22
氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）以其高频、大功率和高效率的特点,成为雷达、第五代移动通信（5G）等领域在毫米波频段重要的功率放大器。但由于器件存在相关的可靠性问题,GaN HEMT器件的发展仍面临着诸多挑战。在这些可靠性问题中,由自热效应与热耦合效应导致的热不稳定性就是可靠性研究工作中的一个主要方面。本文着重对氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMTs）器件的热可靠性问题展开研究。本文首先基于有限元热仿真手段系统地研究了器件各部分材料的热阻大小,通过从器件整体热分布结果中提取数据得到器件几何中心垂直线上各点的温度与竖直方向上距离的关系,从而量化了器件不同材料层的热阻;并从器件的封装形式、各部分材料种类及结构等角度进行器件的热阻优化;再通过对器件的散热方式进行建模,得到器件结温与各部分热阻的关系表达式;通过将量化的器件各部分热阻带入表达式,计算出各部分热阻对结温影响强弱的判定值,从而为不同结构器件的优化方式提供一定指导。对于GaN HEMT器件多指栅结构,论文针对多指之间的热耦合问题,设计了一种可快速计算得多指排布间距的计算机程序。经有限元仿真验证,发热指上最大温差...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一维稳态热传导模型
电子科技大学硕士学位论文6由图2-1所示的热仿真结果可知顶面为最高温点（面）。而决定最高温的因素，除了结构本身的几何形状参数外，还有对流系数、热阻和环境温度等几个主要因素。图2-2说明了最高温形成的方式，它是由发热结构在自身所处的环境温度的基础上，叠加了两部分的温差而得到，而温差的产生是由于热量的流动造成的。一个结构温度峰值点的形成主要由于热量流经两个部分的热阻，这两部分热阻分别为材料传热热阻与对流换热热阻。图2-2最高温形成方式当热量流经自身结构的固体材料时，就代表热量经过了材料传热热阻Rm，形成了材料传热温差Tm；当热量由器件表面通过气体对流流向环境时，就代表热量经过了对流换热热阻Rc，形成了对流换热温差Tc。材料传热温差取决于热流方向上材料的热阻大小及单位时间流过的热流大小，与电流流过电阻产生电势差的定义类似，热阻的定义即为沿热流方向上物体两端的温差与热源功率的比值。热阻大小与热流方向上材料截面面积成反比，与材料长度成正比，与材料热导率K成反比。kAlRm=（2-1）稳态情况下功率恒定，发热量一定等于散热量，因此稳态情况下材料传热温差即为：mmΔ=RWT（2-2）对流换热温差指参与向外界散热的结构表面的平均温度与外界环境温度之间的差值。在稳态情况下发热功率恒定，结构的散热表面积与对流系数都恒定，因
电子科技大学硕士学位论文8为AlGaN层，灰色区域为GaN，绿色区域为衬底材料。二维电子气形成于AlGaN层与GaN层界面处。图2-3GaNHEMT器件结构示意图[29]当器件工作时，发热中心点通常出现在栅漏电极之间靠近栅极侧附近的沟道内[30]，由于沟道很薄，可近似等效为处于器件GaN层与钝化层的界面处。不妨以AlN作为钝化层材料，建立器件的一维散热模型，其散热热路如图2-4所示。由于发热峰值点处于GaN和AlN界面处，因此结合2.1.1节得到的一维热传导模型，将GaNHEMT单指器件热模型简化为在该界面处有一个功率恒定为W的发热点，在界面处单位时间内产生的恒定热量。该热量将由上下两个方向传播，向上通过钝化层传递到器件上表面与空气进行自然对流散热，其对流热阻为Rθ1。向下通过衬底传导到PCB上再与空气对流散热，可等效为一个比自然散热系数更大的对流系数，其对流热阻为Rθ2。图2-4器件一维散热热路图由于器件工作的最高温度不超过200℃，由辐射方式耗散的热量比例很小[31]，因此该模型暂不考虑辐射散热的情况。最终稳态下发热功率等于散热功率，热量将由上下两个方向进行传递耗散，其中Tjc代表器件结温。可得到以下方程组：
【参考文献】：
期刊论文
[1]PCB板级电路中高效散热结构的优化设计[J]. 刘维红,李丹. 半导体光电. 2018(05)
[2]PCB高温升和高导热化的要求和发展——PCB制造技术发展趋势和特点（3）[J]. 林金堵. 印制电路信息. 2017(07)
[3]基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究[J]. 陈孟. 现代计算机(专业版). 2016(11)
[4]A self-heating study on multi-finger AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J]. 杨丽媛,艾姗,陈永和,曹梦逸,张凯,马晓华,郝跃. Journal of Semiconductors. 2013(07)
[5]对一维稳态传热过程类电流求解方法的讨论[J]. 郑坤灿,陈莉荣,向峰伟,覃祯俊,李和辉. 中国冶金教育. 2012(06)
[6]传热学教学中的热路分析法[J]. 李友荣,吴双应. 高等建筑教育. 2012(01)
[7]中空玻璃空气夹层内的自然对流换热[J]. 王厚华,黄春勇. 重庆大学学报. 2009(07)
本文编号：3069266
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一维稳态热传导模型
电子科技大学硕士学位论文6由图2-1所示的热仿真结果可知顶面为最高温点（面）。而决定最高温的因素，除了结构本身的几何形状参数外，还有对流系数、热阻和环境温度等几个主要因素。图2-2说明了最高温形成的方式，它是由发热结构在自身所处的环境温度的基础上，叠加了两部分的温差而得到，而温差的产生是由于热量的流动造成的。一个结构温度峰值点的形成主要由于热量流经两个部分的热阻，这两部分热阻分别为材料传热热阻与对流换热热阻。图2-2最高温形成方式当热量流经自身结构的固体材料时，就代表热量经过了材料传热热阻Rm，形成了材料传热温差Tm；当热量由器件表面通过气体对流流向环境时，就代表热量经过了对流换热热阻Rc，形成了对流换热温差Tc。材料传热温差取决于热流方向上材料的热阻大小及单位时间流过的热流大小，与电流流过电阻产生电势差的定义类似，热阻的定义即为沿热流方向上物体两端的温差与热源功率的比值。热阻大小与热流方向上材料截面面积成反比，与材料长度成正比，与材料热导率K成反比。kAlRm=（2-1）稳态情况下功率恒定，发热量一定等于散热量，因此稳态情况下材料传热温差即为：mmΔ=RWT（2-2）对流换热温差指参与向外界散热的结构表面的平均温度与外界环境温度之间的差值。在稳态情况下发热功率恒定，结构的散热表面积与对流系数都恒定，因
电子科技大学硕士学位论文8为AlGaN层，灰色区域为GaN，绿色区域为衬底材料。二维电子气形成于AlGaN层与GaN层界面处。图2-3GaNHEMT器件结构示意图[29]当器件工作时，发热中心点通常出现在栅漏电极之间靠近栅极侧附近的沟道内[30]，由于沟道很薄，可近似等效为处于器件GaN层与钝化层的界面处。不妨以AlN作为钝化层材料，建立器件的一维散热模型，其散热热路如图2-4所示。由于发热峰值点处于GaN和AlN界面处，因此结合2.1.1节得到的一维热传导模型，将GaNHEMT单指器件热模型简化为在该界面处有一个功率恒定为W的发热点，在界面处单位时间内产生的恒定热量。该热量将由上下两个方向传播，向上通过钝化层传递到器件上表面与空气进行自然对流散热，其对流热阻为Rθ1。向下通过衬底传导到PCB上再与空气对流散热，可等效为一个比自然散热系数更大的对流系数，其对流热阻为Rθ2。图2-4器件一维散热热路图由于器件工作的最高温度不超过200℃，由辐射方式耗散的热量比例很小[31]，因此该模型暂不考虑辐射散热的情况。最终稳态下发热功率等于散热功率，热量将由上下两个方向进行传递耗散，其中Tjc代表器件结温。可得到以下方程组：
【参考文献】：
期刊论文
[1]PCB板级电路中高效散热结构的优化设计[J]. 刘维红,李丹. 半导体光电. 2018(05)
[2]PCB高温升和高导热化的要求和发展——PCB制造技术发展趋势和特点（3）[J]. 林金堵. 印制电路信息. 2017(07)
[3]基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究[J]. 陈孟. 现代计算机(专业版). 2016(11)
[4]A self-heating study on multi-finger AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J]. 杨丽媛,艾姗,陈永和,曹梦逸,张凯,马晓华,郝跃. Journal of Semiconductors. 2013(07)
[5]对一维稳态传热过程类电流求解方法的讨论[J]. 郑坤灿,陈莉荣,向峰伟,覃祯俊,李和辉. 中国冶金教育. 2012(06)
[6]传热学教学中的热路分析法[J]. 李友荣,吴双应. 高等建筑教育. 2012(01)
[7]中空玻璃空气夹层内的自然对流换热[J]. 王厚华,黄春勇. 重庆大学学报. 2009(07)
本文编号：3069266
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