来源 | International Journal of Thermal Sciences

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.110626

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背景介绍

作为超宽禁带（UWBG）半导体，Ga₂O₃具有 4.8 eV 禁带宽度、超高临界击穿电场、3000 的 Baliga 优值（BFOM），且大直径晶圆制备工艺与蓝宝石相似，成本低于 SiC 和 GaN，在超高压、高功率密度电子系统中潜力巨大。Ga₂O₃热导率仅 11–27 W/m⋅K，约为 Si 的 1/6、GaN 的 1/10、SiC 的 1/20，导致器件局部积热严重，恶化电性能与长期可靠性。现有方案缺陷：被动散热：SiC 衬底异质集成（热阻 43.55 K/W）、衬底减薄（易碎裂、结温仅降 6.8℃）、传统双面封装（依赖被动传导，冷却上限低）；主动散热：热电制冷器（TEC）需辅助液冷，复杂度与成本高。

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成果掠影

近日，西安电子科技大学的郝跃院士、张进成、周弘、冯欣等团队提出双面封装与微通道冷却集成的主动热管理策略；通过纳米银烧结工艺实现双面封装，搭配铜基微通道冷却模块，使器件结 - 环境热阻从 39.8 K/W 降至 13.3 K/W（降低 66.6%），4.5 W 功耗下结温低至 88.6℃（下降 58%）；电性能上，3 V 偏压下工作电流达 1025.4 mA（提升 19.8%），比导通电阻至少降低 12.1%，6000 s 导通应力下电流仅衰减 7.3%，有效解决了高功率密度电子器件的热管理瓶颈，为下一代超高压电力电子应用奠定基础。研究成果以“High-performance and high-reliability Ga₂O₃ Schottky barrier diodes enabled by double-side packaging integrated with microchannel cooling”为题发表在《International Journal of Thermal Sciences》期刊。

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图文导读

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）。