随着5G通信、雷达以及高频功率电子的发展，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）正在成为高频、高功率射频器件的重要基础。相比传统硅器件，GaN材料具备更高击穿电场、更高电子迁移率以及二维电子气（2DEG）特性，因此能够在高电压、高频率条件下工作。不过，高功率密度也意味着更高的热流密度，自热效应已成为限制GaN HEMT性能和可靠性的核心问题之一。

       近期，来自宾夕法尼亚州立大学、斯坦福大学等研究团队，对封装GaN HEMT的热阻构成与热优化路径进行了系统研究。相关成果以“Optimization Factors for the Thermal Design of Packaged GaN High-Electron-Mobility Transistors”为题，论文发表于 IEEE Transactions on Electron Devices。

       论文的核心目标，是厘清GaN HEMT从结区到散热器之间的热阻网络，识别真正主导器件升温的关键层与界面。

       为此，研究团队结合微拉曼热测量（micro-Raman thermometry）、时域热反射（TDTR）以及三维电热耦合建模，对采用CuMo封装基板的单指GaN-on-SiC HEMT进行了系统分析。

       研究首先比较了不同贴片材料（die-attach material）对器件散热性能的影响。实验中，团队分别采用低热导银胶、高热导银胶以及AuSn焊料作为芯片与CuMo封装之间的连接层。结果显示，相较裸芯片结构，封装后的器件结温明显下降，而贴片材料热导率的提升能够进一步降低热阻。其中，采用AuSn焊料时，器件温升下降最明显；高热导银胶则在兼顾热性能与热机械可靠性方面展现出较好的平衡。研究认为，对于高功率GaN器件而言，封装连接层虽然并非最大的热阻来源，但不合理的材料选择仍会显著影响整体热管理效果。

       相比封装材料，更值得关注的是器件内部材料层本身。通过对器件内部温度分布的拆解，研究团队发现，半绝缘GaN缓冲层是整个热阻网络中的主要贡献部分，占总热阻约63%；SiC衬底约占28%；而贴片层仅占约2%。这一结果意味着，GaN HEMT的热问题并不只是“封装散热”问题，更深层的瓶颈实际上位于器件内部。

       围绕这一问题，论文进一步研究了GaN缓冲层厚度对散热行为的影响。值得注意的是，研究发现缓冲层并不存在简单的“越薄越好”或“越厚越好”规律，而是与器件偏置状态、热流分布以及沟道结构密切相关。在部分夹断（partially pinched-off）工作状态下，较厚的GaN缓冲层有利于横向扩散热量，能够降低热点温度；但在完全导通状态下，当热源分布更加均匀时，减薄缓冲层反而有助于降低整体热阻。

       为了验证这一现象，研究团队还构建了不同沟道长度的TLM结构，并利用纳米颗粒辅助拉曼热测量技术进行了实验对比。结果表明，当沟道较短时，较厚缓冲层更利于散热；而在长沟道结构中，较薄缓冲层则表现更优。这说明GaN HEMT热设计无法通过简单的一维热阻模型完成，而需要结合实际热流分布与三维热扩散行为进行综合优化。

       在此基础上，论文还讨论了金刚石热管理方案的潜力。研究分别模拟了单晶金刚石替代SiC衬底，以及在器件顶部引入多晶金刚石热扩散层两种方案。结果显示，仅替换为单晶金刚石衬底即可使总热阻下降约21%；顶部集成多晶金刚石热扩散层则可降低约17%；若同时采用上下双侧金刚石散热结构，总热阻可下降约35%。

       整体来看，这项工作并未停留于单一材料或单一封装结构的改进，而是尝试从“器件—材料—封装”整体热路径出发，重新理解GaN HEMT中的热传输机制。论文提出，未来高功率GaN MMIC器件的热管理，需要同时考虑缓冲层设计、界面热阻、贴片材料、封装结构以及金刚石集成等多个维度，形成系统性的热优化策略。对于正在向更高功率密度发展的GaN射频器件而言，这类研究也为后续的金刚石散热、异质集成以及高热导封装路线提供了更具体的设计依据。

       图文导读

图1. (a) 封装GaN HEMT的截面示意图。图中还标出了用于测定相应温度值的内部位置，以便计算各材料层或界面的热阻：2DEG沟道（点1）、GaN层下方（点2）、衬底（点3）、芯片粘接材料（点4）、CuMo片（点5）以及热界面材料（TIM）（点6）。（b）测得与模拟的电输出以及（c）传输特性。

图2. (a) 裸芯片和封装器件的测量与模拟沟道温升对比。(b) 在VGS = 0 V和VDS = 13.6 V条件下，12 W/mm功耗下的典型发热分布。(c) 裸片及三款封装GaN HEMT在12 W/mm工作条件下的峰值沟道温升（2DEG ∆T）。用于这三款封装GaN HEMT的芯片粘接材料分别为：热导率» = 2.5 W/m·K的银环氧树脂（样品1）和» = 22 W/m·K的银环氧树脂（样品2），以及热导率» = 57 W/m·K的AuSn焊料（样品3）。