МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 269-274
= ПРИБОРЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.017.71
РАСЧЕТ ТЕПЛОРАСПРЕДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ МОЩНЫХ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ © 2015 г. И. А. Глинский, Н. В. Зенченко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) E-mail: glinskiy.igor@yandex.ru Поступила в редакцию 04.12.2014 г.
Разработана методика моделирования, позволяющая получать распределения температур в изделии электронной техники и оценивать тепловые сопротивления как устройства в целом, так и в отдельности каждого элемента конструкции. Представлены результаты расчета распределения температуры в многопальцевом мощном СВЧ-транзисторе. Установлено, что добавление теплораспределяющего элемента конструкции из поликристаллического CVD-алмаза между кристаллом и теплоотводом, в случае рассматриваемой модели, уменьшает суммарное тепловое сопротивление структуры и уменьшает тепловой перегрев транзисторной структуры примерно на 2%. Получены зависимости теплового сопротивления модели многопальцевого мощного СВЧ-транзистора от толщины и ширины теплораспределяющего элемента конструкции. Оптимальный размер ТЭК для данной модели, с точки зрения наименьшего теплового сопротивления структуры — 6000 х 6000 х 800 мкм. Приведено сравнение максимальной температуры, достигаемой в области тепловыделения при различных значениях конвекции для модели многопальцевого мощного СВЧ-транзистора на теплоотводе с теплораспределяющим элементом конструкции. Установлено, что естественной воздушной конвекции будет достаточно для отвода тепла.
DOI: 10.7868/S0544126915040055
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время основным элементом в передающих каналах радиолокационных станций (РЛС), активных фазированных антенных решетках (АФАР), системах связи являются твердотельные усилители мощности (УМ) на мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторах, которые обеспечивают величину мощности от единиц до нескольких десятков ватт в Ь-, 8- и Х-диапазонах длин волн [1].
Основные требования к мощным СВЧ-транзи-сторам — это обеспечение максимальной абсолютной и удельной мощности с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) при повышенных рабочих температурах с заданными параметрами надежности.
При увеличении удельной мощности на первый план выдвигается проблема отвода тепла от активной области транзисторов для предотвращения перегрева.
Высокие температуры негативно сказываются на параметрах прибора, в частности на частотных характеристиках и на значениях выходной мощности, а также на надежности устройства в целом [2]. Поэтому при разработке изделия электронной техники (ИЭТ) необходимо принять меры по увеличению эффективности отвода тепла от активной части кристалла. Важным этапом в дости-
жении этой задачи является моделирование распределения температуры в устройстве.
Цель настоящей работы — разработка методики расчета распределения температуры в ИЭТ, оценка влияния теплораспределяющего элемента конструкции(ТЭК) из поликристаллического алмаза на тепловые характеристики устройства и расчета параметров области тепловыделения.
ТЕПЛОРАСПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ ИЗ СУБ АЛМАЗА
Постоянный рост мощностей ИЭТ сопровождается повышением требований к эффективности охлаждения активных компонентов, а для обеспечения эффективного отвода тепла от кристалла применяют теплоотводы [3]. Но эффективность охлаждения зависит не только от эффективности самого теплоотвода, но и от всей конструкции отвода тепла (основание теплоотво-да, припой, материал полупроводникового кристалла), в частности от эффективности переноса тепла от кристалла к теплоотводу. Задачу повышения эффективности переноса тепла от кристалла к теплоотводу можно решить с помощью распределителя теплового потока, или, иначе говоря, теплораспределяющего элемента конструкции.
ТЭК представляет собой связующий промежуточный слой между активным кристаллом и тепло-
Рис. 1. Модель многопальцевого мощного СВЧ-тран-зистора на теплоотводе с ТЭК: 1 — теплоотвод; 2 — ТЭК; 3 — подложка; 4 — тепловыделяющие элементы.
отводом, при этом ТЭК имеет большую площадь, чем кристалл, тем самым распределяя тепловой поток с поверхности кристалла на поверхность теплоотвода, уменьшая тем самым его плотность.
ТЭК должен быть изготовлен из материала, обладающего высокой теплопроводностью: алюмо-нитридная керамика, бериллиевая керамика, медь. Но такие ТЭК, с учетом роста мощности современных полупроводниковых приборов, не всегда удовлетворяют требованиям отвода тепла от активной области транзистора [4]. Кроме того, в СВЧ-устрой-ствах использование металла в качестве ТЭК может создавать нежелательную паразитную емкость между кристаллом и теплоотводом, поэтому важно, чтобы ТЭК был выполнен из диэлектрика.
Наиболее интересным материалом для ТЭК является поликристаллический CVD-алмаз (CVD: chemical vapor deposition — химическое осаждение из газовой фазы). Причиной этого являются уникальные физико-химические свойства, благодаря которым алмаз может рассеивать намного большее количество тепла, чем другие теплоотводя-щие материалы [4].
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Когда плотности теплового потока близки к предельным значениям возможности теплоотвода, то становится необходима оптимизация всех элементов конструкции ИЭТ, начиная с самых ранних этапов проектирования. Наиболее эффективная методика такой оптимизации заключается в создании численной модели конструкции с последующим использованием средств численного моделирования [5].
С помощью программы численного моделирования тепловых полей моделировалось влияние параметров теплоотвода на тепловые характеристики полупроводниковых приборов, изготовленных из различных материалов. Программа позволяет моделировать температурные распределения внутри твердого тела, имеющего слоистую структуру, со слоями разной толщины и разной величины теплопроводности.
Численная модель должна моделировать конструкцию только на необходимом уровне детализации. Моделирование на высоком уровне детализации замедляет процесс вычисления, поэтому структура модели должна быть относительно простой. В то же время все факторы, влияющие на тепловые режимы работы ИЭТ, должны быть учтены. Помимо этого, должны быть разработаны эффективные алгоритмы для расчета упрощенной тепловой модели с минимальными вычислительными затратами.
Для корректного расчета характеристик транзисторов сперва необходимо выбрать методику и адекватный набор математических моделей.
В расчете применяется метод конечных элементов. Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, которые называются конечными элементами.
Методика моделирования:
♦ Построение упрощенной 3Э-модели ИЭТ (рис. 1).
♦ Задание материалов и необходимых свойств.
♦ Генерирование конечно-элементной сетки с использованием программного пакета для численного моделирования, достаточной для нахождения необходимой точности решения задачи при минимальном времени, требуемом для решения (рис. 2).
♦ Задание граничных условий (теплообмен с окружающей средой), нагрузок (удельное тепловыделение) и параметров расчета (стационарный или нестационарный расчет, длительность и т.д.).
♦ Проведение расчета. Графический вывод распределения температуры и других необходимых результатов.
♦ Оптимизация тепловых режимов работы ИЭТ и подведение итогов проведения моделирования.
Изменение теплового режима работы мощных полупроводниковых приборов характеризуется тепловым сопротивлением Ят и, соответственно, изменением температуры кристалла.
Тепловое сопротивление Ят является характерной величиной для каждого типа прибора и зависит от площади полупроводниковых кристаллов,
Рис. 3. Распределение температуры в модели многопальцевого мощного СВЧ-транзистора на теплоотводе с ТЭК.
площади, толщины и типа материалов между кристаллами и основанием, а также от технологического процесса и качества изготовления, оно связывает предельные электрические возможности по передаче мощности с условиями тепловых ограничений. Чем ниже тем быстрее отводится тепло.
Мощные СВЧ-транзисторы как правило имеют многопальцевую структуру, область тепловыделения в которых расположена под затворами, с небольшим смещением в сторону стока [2, 6].
Моделируемая в данной работе конструкция (рис. 1) представляет собой квадратный кристалл из 81С (3) размером 2600 х 2600 х 360 мкм, прикрепленный к ТЭК в виде алмазной пластины (2), которая, в свою очередь, установлена на медном основании (1). Область тепловыделения (4) (имитация подзатворных областей СВЧ-транзистора) была врезана в виде 14 тепловыделяющих элементов размером 74 х 0.2 х 0.02 мкм каждый в центр подложки. Между алмазным ТЭК и медным основанием, а также между кристаллом и ТЭК присутствует слой припоя. Геометрические размеры теп-лоотводов во всех вариациях моделей — 16000 х х 16000 х 2000 мкм.
Конечно-элементная сетка модели многопальцевого мощного СВЧ-транзистора на тепло-отводе с ТЭК представлена на рис. 2.
На область тепловыделения (4), на все тепловыделяющие элементы прикладывается суммарная нагрузка в виде выделяемой мощности (10 Вт). На нижнюю часть теплоотвода прикладывается постоянная температура равная 22° С. Температура окружающей среды Т0 = 22°С. Тепловое излучение и конвекцию при расчете ТЭК можно не учитывать.
В табл. 2 приведены свойства материалов, используемые при численном моделировании рассматриваемой модели конструкции. Для упрощения анализа результатов расчета конструкции
Таблица 1. Свойства СУБ-алмаза
Материал Удельная теплопроводность, Вт/мК
СУБ-алмаз 1000-2000*
Алюмонитридная керамика 180
Бериллиевая керамика 220
Медь 400
* В зависимости от рассматриваемого диапазона температур.
Таблица 2. Свойства используемых при моделировании материалов
Материал Плотность, кг/м3 Удельная теплопроводность, Вт/м °С Удельная теплоемкость, Дж кг/°С
3200 360 490
СУО-алмаз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.