INT J THERM SCI丨西电郝跃院士、张进成教授团队：采用双面封装集成微通道冷却技术实现的高性能高可靠性Ga₂O₃肖特基势垒二极管
由西安电子科技大学的郝跃院士、张进成教授、周弘教授领导的研究团队在学术期刊 International Journal of Thermal Sciences 发布了一篇名为High-performance and high-reliability Ga2O3 Schottky barrier diodes enabled by double-side packaging integrated with microchannel cooling（采用双面封装集成微通道冷却技术实现的高性能高可靠性 Ga2O3 肖特基势垒二极管）的文章。其中第一作者为西安电子科技大学硕士研究生周佳俊，冯欣副教授、周弘教授、张进成教授为该论文的共同通讯作者。
一、 背景
β-Ga2O3 作为超宽禁带（UWBG）半导体的代表，其禁带宽度高达 4.8 eV，击穿电场超过 8 MV/cm，巴利加优值（BFOM）高达 3000。这意味着在相同耐压等级下，氧化镓肖特基势垒二极管（SBD）的导通电阻（Ron）远低于传统材料，能显著降低功耗并提高效率。与碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）不同，氧化镓可以通过熔体法（melt growth）大规模生长高质量、大尺寸的衬底，其工艺类似于蓝宝石，这使得其在成本方面具有极强的竞争力。但氧化镓的导热系数极低，大约只有硅（Si）的 1/6、GaN 的 1/10 和 SiC 的 1/20。氧化镓晶格中不对称的原子排列导致强烈的声子散射，阻碍了热传输；且其强离子性的 Ga-O 键引发了复杂的晶格振动模式，高频声子对热导率的贡献微乎其微。在实际应用中，这种特性会导致器件内部出现严重的局部热量堆积（自热效应），不仅会大幅降低电学性能，还会危及器件的长效可靠性。如减薄衬底虽然能降低热阻，但过薄的氧化镓极其脆弱，切割良率低；采用异质集成虽有利于热量导出，但其高温键合工艺会引入显著的热界面电阻。如热电制冷器虽能降温，但系统依赖液体冷却，增加了复杂性、成本及可靠性风险。传统的单面封装主要依靠被动导热，在处理极高热流密度时散热能力有限。
二、 主要内容
超宽禁带（UWBG）半导体 Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBD）因其低导通电阻、超高临界击穿电场及卓越的巴利加优值（BFOM），已成为下一代电力电子器件的首选候选材料。然而，其超低热导率导致严重的自热问题，限制了功率密度与可靠性。为此，本文提出将双面封装与微通道冷却技术相结合的主动热管理策略。实验结果表明：结-环境热阻 (Rj-a) 从 39.8 K/W 降至 13.3 K/W，降幅达 66.6 %；最大结温降达 58 %，在 4.5 W 功耗下实现 88.6 °C 的低温运行。在电学性能方面，该器件在 3 V 电压下展现出 1025.4 mA 的更高工作电流（提升 19.8 %），并具有 3.50 mΩ cm2 的更低导通电阻（Ron），降幅至少达 12.1%，优于采用自然对流冷却的传统底部封装 SBD。在 2 V 偏压下的长期导通状态电气应力测试中，电流仅在 6000 秒内衰减 7.3 %。所提出的双面封装与优化微通道冷却的协同作用缩短了热传导路径并抑制热点形成，为高功率密度电子设备提供了关键解决方案。
三、 创新点
•该工作通过倒装芯片互联和对流微通道设计的协同，实现了近结区的高强度直接热提取，打破了氧化镓低导热率的物理瓶颈。
•开创性地将双面封装与微通道冷却协同集成，为氧化镓 SBD 提供了紧凑且高性能的热管理方案。
•研究成果为未来超宽禁带半导体在大功率密度电力电子系统中的实际应用奠定了坚实的物理和封装基础。
四、 结论
本研究展示了一种集成微通道冷却的双面封装 Ga2O3 肖特基二极管，成功突破了其固有超低导热率造成的热限制。该方案在 4.5 W 功耗下实现了创纪录的低结温-功耗比（Rj-a）值 13.3 K/W，较基准值降低 66.6 %，结温降低 58 %。电学性能方面，近结冷却使电流密度提升至 3 V 时 512 A/cm2（提升 19.8 %），并使 Ron 降至 3.50 mΩ cm2。可靠性测试显示，经 6000 秒应力测试后电流衰减仅 7.3 %，优于传统封装方案 2.2 %。微通道集成进一步提升散热效率，实现更快的瞬态热响应，并在高功率下将结温稳定维持在 72.8 ℃。倒装芯片互连技术与微通道流体协同作用，最大限度缩短 Ga2O3 反向偏置二极管的热传导路径，彻底消除热点形成。这种协同设计方案使 Ga2O3 反向偏置二极管能在前所未有的功率密度下稳定运行，同时保持热电性能稳定性，为下一代超高功率电子器件奠定基础。
五、 项目支持
本工作得到国家自然科学基金（62304170，62374122）、 广东省基础与应用基础研究专项基金（2023B1515040024），中央高校基本科研业务费专项资金（ZYTS25302）以及西安电子科技大学跨学科探索专项基金（TZJH2024057）。
图1. 集成微通道冷却的垂直 Ga2O3 反向偏置二极管示意图，展示了（a）底部封装和（b）双面封装的结构。（c）制备的垂直 Ga2O3 反向偏置二极管的光学显微照片。（d）集成微通道冷却的双面封装垂直 Ga2O3 反向偏置二极管实物照片。
图2. (a) 双面封装与底面封装器件的正向 I-V 特性曲线。(b) 两种封装器件表面温度与功耗的关系曲线。(c) 4 W 功耗下器件表面的红外热成像图：左侧为底面封装器件，右侧为双面封装器件。
图3. 两种封装配置下器件的瞬态热响应：底部封装器件为 2.8 W，双面封装器件为 3.3 W。
图4. (a) 不同封装结构的功率-温度曲线。(b) 不同封装结构器件的温度依赖性 I-V 曲线。(c) 不同封装结构器件在 2 V 正向偏压应力下的电学特性退化。
图5. (a) 底部封装和 (b) 双面封装器件在 -55 ℃ 至 150 ℃ 温度循环测试后的输出特性。
图6. (a) 不同封装结构下自然对流风冷与微通道冷却的功率-温度特性曲线。 (b) 两种封装结构在不同微通道冷却条件下的 I-V 曲线。
图7. (a) 雷诺数与流速的关系。 (b) 压降与泵送功率随流速的变化。 (c) 努塞尔数与雷诺数的关系。 (d) 热阻与泵送功率的权衡关系。
图8. (a) 底部封装器件在 2.8 W 自然对流冷却与 2.85 W 微通道冷却下的瞬态热响应。(b) 双面封装器件在 3.3 W 自然对流冷却与 3.2 W 微通道冷却下的瞬态热响应。
图9. 不同冷却方式下阳极电压为 3 V 时的导通电流与热阻性能对比（A：底部自然对流冷却；B：底部微通道冷却；C：双侧自然对流冷却；D：双侧微通道冷却）。
DOI：
doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.110626
本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号