Thermal analysis of wire-free chip integration for high-power microwave application

Abstract

This paper presents the results of thermal analysis evaluation of two assembly techniques for high power microwave applications: conventional integration on metal carrier using solder preform and flip-chip mounting using Au-Sn system for SLID bonding as an interconnect layer to dielectric substrate. A high power GaN HEMT on SiC substrate with fabrication technology of 0.15 μm and total gate width 1.2 mm are used. The results of the flip-chip approach showed a 7.2% reduction in the overall thermal resistance of the assembly compared to conventional integration approach. Dependences of individual circuit elements on thermal parameters are determinated. Electrical equivalent circuit of thermal models of investigated constructions are obtained.

• mmic
• quasi-MMIC
• flip-chip
• GaN HEMT
• Au-Sn
• thermal analysis

Аннотация (на русском)

Исследование тепловых характеристик беспроволочной интеграции мощных СВЧ кристаллов

В данной работе представлены результаты расчетов тепловых характеристик двух типов интеграции кристаллов СВЧ: традиционный монтаж обратной стороны кристалла на теплоотводящее основание с помощью припоя и метод перевернутого монтажа на диэлектрическую подложу с применением соединяющего слоя в виде системы слоёв Au-Sn. Для анализа конструкций был использован мощный полевой GaN HEMT на подложке SiC с общей шириной затвора 1.2 мм, с размерной обработкой 0.15 мкм. Результаты расчёта конструкции с перевернутым монтажом с базовыми элементами показал снижение общего теплового сопротивления схемы на 7.2% по сравнению с традиционным подходом интеграции. Определены зависимости отдельных элементов схемы на тепловые режимы работы. Получены электрические эквивалентные схемы тепловых моделей исследуемых конструкций.

For citation

References

1. Heinrich W., Hossain M., Sinha S., Schmuckle F.-J., Doerner R., Krozer V., Weimann N. Connecting chips with more than 100 GHz bandwidth. IEEE Journal Microwaves. 2021. V.1. №1. P.364-373. https://doi.org/10.1109/JMW.2020.3032879
2. Efimov A.S., Temnov A.M., Korolkova D.D., Zaycev A.A., Dudinov K.V., Rudina A.D., Kurochka A.S., Emelianov A.M., Ranzhin Y.S. Flip-Chip integration of III-V chips on wafer for mmW applications. IEEE 8th All-Russian Microwave Conference (RMC). Moscow.Russian Federation. 2022. P.220-222. https://doi.org/10.1109/RMC55984.2022.10079408
3. Feghhi R., Joodaki M. Thermal analysis of microwave GaN-HEMTs in conventional and flip-chip assemblies.International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. 2018. V.28. №8. P.e21513. https://doi.org/10.1002/mmce.21513
4. Chen H., Lim T.G., Tang G. Thermal Challenges and Design Considerations in Heterogeneous Integrated Through-Silicon-interposer Platform for III-V HEMT Flip Chip. IEEE 72nd Electronic Components and Technology Conference (ECTC). San Diego. USA. 2022. P.1030-1035. https://doi.org/10.1109/ECTC51906.2022.00168
5. Гармаш С.В. Применение пассивных интегральных схем на арсениде галлия для построения импульсного усилителя мощности в Х-диапазоне частот. Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2021. Т.1. С.57-61. https://www.elibrary.ru/FKCLNK
6. Mackowiak P., Wittler O., Braun T., Erbacher K., Schiffer M., Schneider-Ramelow M. SiC Fan-out Wafer Level Package for High Power Application. IEEE 24th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC). Singapore. Singapore. 2022. P.104-108. https://doi.org/10.1109/EPTC56328.2022.10013212
7. Патент РФ №2782187. Ефимов А.С., Темнов А.М., Дудинов К.В. Интегральная схема СВЧ. Дата заявки: 28.12.2021. Дата публикации: 21.10.2022. 19 с.