氮化鎵（GaN）基高電子遷移率晶體管（HEMT）以其高頻、大功率和高效率的特點(diǎn),成為雷達(dá)、第五代移動通信（5G）等領(lǐng)域在毫米波頻段重要的功率放大器。但由于器件存在相關(guān)的可靠性問題,GaN HEMT器件的發(fā)展仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。在這些可靠性問題中,由自熱效應(yīng)與熱耦合效應(yīng)導(dǎo)致的熱不穩(wěn)定性就是可靠性研究工作中的一個主要方面。本文著重對氮化鎵（GaN）基高電子遷移率晶體管（HEMTs）器件的熱可靠性問題展開研究。本文首先基于有限元熱仿真手段系統(tǒng)地研究了器件各部分材料的熱阻大小,通過從器件整體熱分布結(jié)果中提取數(shù)據(jù)得到器件幾何中心垂直線上各點(diǎn)的溫度與豎直方向上距離的關(guān)系,從而量化了器件不同材料層的熱阻;并從器件的封裝形式、各部分材料種類及結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行器件的熱阻優(yōu)化;再通過對器件的散熱方式進(jìn)行建模,得到器件結(jié)溫與各部分熱阻的關(guān)系表達(dá)式;通過將量化的器件各部分熱阻帶入表達(dá)式,計(jì)算出各部分熱阻對結(jié)溫影響強(qiáng)弱的判定值,從而為不同結(jié)構(gòu)器件的優(yōu)化方式提供一定指導(dǎo)。對于GaN HEMT器件多指柵結(jié)構(gòu),論文針對多指之間的熱耦合問題,設(shè)計(jì)了一種可快速計(jì)算得多指排布間距的計(jì)算機(jī)程序。經(jīng)有限元仿真驗(yàn)證,發(fā)熱指上最大溫差... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6由圖2-1所示的熱仿真結(jié)果可知頂面為最高溫點(diǎn)（面）。而決定最高溫的因素，除了結(jié)構(gòu)本身的幾何形狀參數(shù)外，還有對流系數(shù)、熱阻和環(huán)境溫度等幾個主要因素。圖2-2說明了最高溫形成的方式，它是由發(fā)熱結(jié)構(gòu)在自身所處的環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上，疊加了兩部分的溫差而得到，而溫差的產(chǎn)生是由于熱量的流動造成的。一個結(jié)構(gòu)溫度峰值點(diǎn)的形成主要由于熱量流經(jīng)兩個部分的熱阻，這兩部分熱阻分別為材料傳熱熱阻與對流換熱熱阻。圖2-2最高溫形成方式當(dāng)熱量流經(jīng)自身結(jié)構(gòu)的固體材料時，就代表熱量經(jīng)過了材料傳熱熱阻Rm，形成了材料傳熱溫差Tm；當(dāng)熱量由器件表面通過氣體對流流向環(huán)境時，就代表熱量經(jīng)過了對流換熱熱阻Rc，形成了對流換熱溫差Tc。材料傳熱溫差取決于熱流方向上材料的熱阻大小及單位時間流過的熱流大小，與電流流過電阻產(chǎn)生電勢差的定義類似，熱阻的定義即為沿?zé)崃鞣较蛏衔矬w兩端的溫差與熱源功率的比值。熱阻大小與熱流方向上材料截面面積成反比，與材料長度成正比，與材料熱導(dǎo)率K成反比。kAlRm=（2-1）穩(wěn)態(tài)情況下功率恒定，發(fā)熱量一定等于散熱量，因此穩(wěn)態(tài)情況下材料傳熱溫差即為：mmΔ=RWT（2-2）對流換熱溫差指參與向外界散熱的結(jié)構(gòu)表面的平均溫度與外界環(huán)境溫度之間的差值。在穩(wěn)態(tài)情況下發(fā)熱功率恒定，結(jié)構(gòu)的散熱表面積與對流系數(shù)都恒定，因

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8為AlGaN層，灰色區(qū)域?yàn)镚aN，綠色區(qū)域?yàn)橐r底材料。二維電子氣形成于AlGaN層與GaN層界面處。圖2-3GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖[29]當(dāng)器件工作時，發(fā)熱中心點(diǎn)通常出現(xiàn)在柵漏電極之間靠近柵極側(cè)附近的溝道內(nèi)[30]，由于溝道很薄，可近似等效為處于器件GaN層與鈍化層的界面處。不妨以AlN作為鈍化層材料，建立器件的一維散熱模型，其散熱熱路如圖2-4所示。由于發(fā)熱峰值點(diǎn)處于GaN和AlN界面處，因此結(jié)合2.1.1節(jié)得到的一維熱傳導(dǎo)模型，將GaNHEMT單指器件熱模型簡化為在該界面處有一個功率恒定為W的發(fā)熱點(diǎn)，在界面處單位時間內(nèi)產(chǎn)生的恒定熱量。該熱量將由上下兩個方向傳播，向上通過鈍化層傳遞到器件上表面與空氣進(jìn)行自然對流散熱，其對流熱阻為Rθ1。向下通過襯底傳導(dǎo)到PCB上再與空氣對流散熱，可等效為一個比自然散熱系數(shù)更大的對流系數(shù)，其對流熱阻為Rθ2。圖2-4器件一維散熱熱路圖由于器件工作的最高溫度不超過200℃，由輻射方式耗散的熱量比例很小[31]，因此該模型暫不考慮輻射散熱的情況。最終穩(wěn)態(tài)下發(fā)熱功率等于散熱功率，熱量將由上下兩個方向進(jìn)行傳遞耗散，其中Tjc代表器件結(jié)溫�？傻玫揭韵路匠探M：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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