硅基氮化镓功率器件封装散热特性研究

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近年来,由于氮化镓材料具有高电子迁移率、高电子饱和速率、宽禁带(约3.4e V)、高击穿电场等特点,使得Al Ga N/Ga N HEMT器件在电子器件领域具有很大的应用前景。随着应用需求的升级,器件的尺寸越来越小以及功率密度越来越大,导致器件的沟道温度上升非常显著,这对器件的封装提出了严峻的挑战。因此,为了提高器件的稳定性、可靠性和使用寿命,研究Al Ga N/Ga N HEMT器件的封装热特性研究具有十分重要的意义。本文研究了级联型功率器件和凹槽型功率器件这两种器件的温度特性。具体的研究工作如下:论文建立了多栅指的级联型功率器件和凹槽型功率器件的三维热仿真模型。模型考虑了材料的温度对热导系数的影响,经过Ansys仿真,获得了器件在不同条件下的温度分布情况。通过对Al Ga N/Ga N HEMT器件中横向和纵向温度分布进行探讨,有助于加深理解热量传递的方式和途径。本文研究了不同塑封料、器件布局、封装框架材料、封装结构、Al Ga N/Ga N HEMT器件的栅极结构、衬底材料和厚度对器件温度特性的影响,这有助于优化器件结构和封装结构,对缓解功率器件的自热效应有着重要的意义。本文通过仿真获得了热阻6.89℃/W的级联型功率器件和热阻26.90℃/W的凹槽型功率器件。最后,分析了影响器件温度特性的因素,总结了降低器件温度的有效措施,并给出了理想的设计模型。论文实现了级联型功率器件和凹槽型功率器件的温度测量。利用红外成像仪对两种器件在不同条件下进行温度测量,并对其进行分析和对热阻进行计算,最终获得了热阻5.45℃/W的级联型功率器件和热阻24.71℃/W的凹槽型功率器件。本文的级联型功率器件的热阻与国内外报道的热阻相差不大。本文使用的封装结构和封装工艺都相对简单,易于实现,并且器件的温度分布更加均匀,避免出现局部过热现象。实验结果和仿真结果相一致,并且两者误差在10%以下,验证了仿真模型的合理性,具有一定的指导意义。论文实现了对级联型功率器件和凹槽型功率器件的电学测试,获得器件的输出特性曲线和转移特性曲线。两种器件均为常闭型器件,其中级联型功率器件的阈值电压为2.3V,凹槽型功率器件的阈值电压为2.1V。
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