LTCC中埋置大功率芯片散熱的三維有限元分析

陳 品，吳兆華，黃紅艷，張 生，趙 強(qiáng)

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言[1]

隨著軍事電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微波組件的小型化、高性能化、多功能化已成為必然趨勢(shì)，微波組件內(nèi)部元器件集成度高，組件的體積小，其單位體積內(nèi)的功率消耗不斷增大，導(dǎo)致元器件發(fā)熱量增加、溫升突出,散熱較為困難。為了確保大功率芯片微波組件高可靠性、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，有必要對(duì)其熱場(chǎng)分布和散熱進(jìn)行分析研究。

微波組件的熱設(shè)計(jì)一般是先通過數(shù)值模擬技術(shù)，分析不同散熱方式下微波組件的溫度分布情況，對(duì)微波組件的幾何參數(shù)和材料選擇進(jìn)行優(yōu)化；然后在模擬的基礎(chǔ)上，建立等效的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和儀器（如紅外熱像儀和時(shí)間分辨紅外輻射儀）測(cè)量裝置的溫度分布，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬技術(shù)是基于溫度場(chǎng)微分方程的有限差分或有限元求解上的。隨著CAD和CAE技術(shù)的發(fā)展，很多大型有限差分和有限元軟件（如ANSYS、FLOTHERM等）已經(jīng)商業(yè)化，這促使數(shù)值模擬技術(shù)在電子封裝熱設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了一種適用于特定需求的在低溫共燒陶瓷基板（LTCC）中埋置大功率芯片微波組件的熱模型，分析了在空氣自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流情況下，三維微波組件有限元模型的溫度場(chǎng)分布和散熱狀況，并研究了封裝熱阻和空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)對(duì)模型的溫度分布和散熱狀況的影響。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)特定需求，也為了計(jì)算方便，先對(duì)模型做如下假設(shè)：

（1）芯片作為主要熱源，忽略電流流過電阻和連線時(shí)產(chǎn)生的熱量；（2）假設(shè)灌封體表面、芯片表面與周圍空氣對(duì)流熱交換系數(shù)為常數(shù)；（3）芯片引腳為翼型，對(duì)熱傳導(dǎo)影響很微小，可忽略不做建模，基于此建立了一種LTCC中埋置大功率芯片的三維有限元模型，圖1（a）和（b）分別為該模型的截面圖和未用灌封膠灌封的俯視圖。

其中D1～D4為大功率芯片，采用金錫焊片直接粘貼在鉬銅片上，位于基板四周，大功率芯片距離基板邊距均為2mm，芯片之間的中心距X軸方向上為12mm，Y軸方向上為13mm，其他六個(gè)小功率芯片均勻分布，采用導(dǎo)熱膠粘結(jié)在LTCC基板上，基板通過層壓方式與下方的鋁合金冷板相接，從基板向上整體用灌封膠灌封，以達(dá)“三防”標(biāo)準(zhǔn)，各芯片、金錫焊片、鉬銅片、基板和冷板的尺寸如表1所示。采用有限元軟件ANSYS建立的三維有限元模型和網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

整個(gè)有限元模型由232 788個(gè)單元和172 908個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，模型中所采用的材料和對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率如表2 所示[4]。

模型的熱邊界條件為：大小功率芯片功耗為發(fā)熱源，D1～D4大功率芯片功耗均為8W，D5～D10小功率芯片功耗均為0.03W，總功耗為32.18W；內(nèi)部材料之間通過傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，服從傅里葉傳熱定理；熱模型外部（灌封膠、基板、大冷板）通過與空氣的對(duì)流和輻射進(jìn)行散熱，其空氣對(duì)流散熱服從牛頓冷卻定理。在空氣自然對(duì)流傳熱情況下，取對(duì)流傳熱系數(shù)為15W.m-2K-1, 在空氣強(qiáng)迫對(duì)流情況下，大冷板與空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)可從文獻(xiàn)[3]和[7]中計(jì)算得到。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別是在自然對(duì)流情況下熱模型的整體溫度分布圖、芯片溫度分布圖、內(nèi)部溫度分布圖和熱流密度矢量圖。

從圖中可以看出，熱分析模型的最高溫度出現(xiàn)在大功率芯片的中心位置，四個(gè)大功率芯片的中心溫度基本是一致的，為299.141℃，其余六個(gè)小功率芯片的溫度基本相等。最低溫度出現(xiàn)在大冷板的四角處。評(píng)價(jià)熱傳導(dǎo)通路的阻礙性，一般通過封裝熱阻來評(píng)價(jià)封裝組件的熱特性，并以此來預(yù)測(cè)不同功率分布下的結(jié)溫[6]。由于LTCC基板中埋置的大功率芯片不是單熱源，國(guó)外學(xué)者Bar-Cohen[5]在假定組件內(nèi)所有功率器件均是相同尺寸及功耗時(shí)，提出了一個(gè)平均熱阻θja-avg概念，即把所有功率器件視為一個(gè)整體，考慮其平均結(jié)溫（Tj-avg）和封裝內(nèi)的總功耗（Q），如公式（1）所示。

其中Ta為環(huán)境溫度。

在自然對(duì)流情況下，芯片的平均結(jié)溫Tj-avg為295.521℃，環(huán)境溫度Ta為20℃，封裝內(nèi)的總功耗Q為32.18W，則：

由上式計(jì)算結(jié)果可知，芯片最高結(jié)溫到環(huán)境的熱阻比較小，由于在大功率芯片底座下使用了高熱導(dǎo)率的鉬銅片和散熱面積大的鋁合金大冷板，因此芯片的大部分熱量是通過芯片底面的金錫焊片直接傳導(dǎo)給鉬銅片和鋁合金大冷板，從而擴(kuò)散到環(huán)境中。

這種熱量傳導(dǎo)的方式由芯片溫度場(chǎng)矢量圖可以看出，芯片產(chǎn)生的大部分熱量是通過鉬銅片和鋁合金大冷板擴(kuò)散到環(huán)境中的，其中一部分熱量向四周擴(kuò)散與其他芯片產(chǎn)生熱場(chǎng)耦合，少部分熱量通過灌封膠擴(kuò)散和輻射到環(huán)境中。由于熱模型的對(duì)稱性，溫度場(chǎng)的分布基本上是與通過大功率芯片的對(duì)角線呈對(duì)稱分布。

根據(jù)牛頓冷卻定理和斯蒂芬-波爾茲曼輻射定理，計(jì)算出了熱模型的熱平衡，其散熱分布如表3所示。

由表3可以看出，熱量通過熱傳導(dǎo)方式到達(dá)鋁合金大冷板和基板邊緣以及灌封膠頂部，通過熱對(duì)流和熱輻射散出的熱量總和為33.187W，與輸入的32.18W相差1.007W，誤差為3.13%，其中通過鋁合金大冷板底部對(duì)流散出的熱量最大，為27.931W，占整個(gè)輸入的84.16%，這主要是由于鉬銅片和鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高、芯片結(jié)溫到環(huán)境的熱阻較小，且大冷板的面積較大，大部分熱量都通過大冷板散發(fā)到環(huán)境中；通過灌封膠散出的熱量為3.331W，占15.84%；在整個(gè)散熱分布中，對(duì)流散熱占88.93%，為主要的散熱方式，輻射散熱所占比例較小，僅為11.07%。

另外還可以看出，在對(duì)流散熱中又以大冷板對(duì)流散熱為主，在輻射散熱中也以大冷板的輻射散熱為主，主要是由于大冷板的輻射面積較大。由于基板以上部分都被灌封，無空氣傳導(dǎo)熱量，所以基板不考慮散熱。

3 模型散熱改善分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得知，模型整體的最大結(jié)溫為285.092℃，已經(jīng)超過了封裝芯片溫度的允許值，為了使這種大功率的微波組件能夠正常工作，需對(duì)其散熱性能進(jìn)行改善，根據(jù)項(xiàng)目特定需求，大功率微波組件基板及以上部分置于密封裝置中，因此，只可對(duì)大冷板進(jìn)行散熱性能的改善。筆者提出一種常見的增強(qiáng)散熱的措施：對(duì)大冷板底部施加強(qiáng)迫空氣對(duì)流，并對(duì)這種情況下微波組件模型的熱分布進(jìn)行了模擬。

圖4為大冷板底部加載了空氣強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)，模型整體最大結(jié)溫與不同空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)之間的關(guān)系。

從圖4可以看出，采用空氣強(qiáng)迫對(duì)流可以顯著降低整體模型最大結(jié)溫，隨著空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)的增加，最大結(jié)溫呈下降趨勢(shì)，這是由于空氣的快速流動(dòng)帶走了從芯片傳導(dǎo)到大冷板表面的熱量，如在空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)為150W.m-2K-1時(shí)，最大結(jié)溫為83.414℃，通過計(jì)算得知通過大冷板對(duì)流散熱量為30.5W，占了整體散熱的91.9%，主要是因?yàn)榇罄浒迮c環(huán)境的接觸面積大，且其導(dǎo)熱系數(shù)大。當(dāng)空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)達(dá)到160W.m-2K-1后，溫度的下降趨勢(shì)將出現(xiàn)減緩，這主要是因?yàn)槲⒉ńM件中的發(fā)熱芯片結(jié)溫到環(huán)境的內(nèi)部熱阻制約了散熱通道，這需要從芯片材料以及內(nèi)部封裝材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇，才能進(jìn)一步降低最大結(jié)溫。

如果以芯片的最高溫度小于85℃作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過模擬計(jì)算可知，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的埋置于LTCC中的大功率微波組件，在空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)為160W.m-2K-1時(shí)，最大可以承受32W的大功率芯片和0.8W的小功率芯片。這些研究結(jié)果對(duì)大功率微波組件的芯片熱設(shè)計(jì)有重要意義。

4 結(jié)論

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)一種適用于特定需求的三維LTCC微波組件熱模型在空氣自然對(duì)流下的溫度分布和散熱情況進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果表明：增加冷板散熱面積和增大芯片接觸材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)是散熱關(guān)鍵，當(dāng)冷板面積增大到基板面積的3倍以上時(shí)，散熱效果將不明顯。定量分析了空氣強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)與整體最大結(jié)溫的關(guān)系，結(jié)果表明：這種結(jié)構(gòu)的整體最大結(jié)溫在空氣對(duì)流系數(shù)達(dá)到160W.m-2K-1時(shí)，降溫效果將不再顯著，需要從間接水冷或者從封裝體里的結(jié)構(gòu)參數(shù)方面加以考慮。以上研究結(jié)果對(duì)LTCC基板中埋置大功率芯片的熱設(shè)計(jì)具有重要意義。

［1］王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006：171-208.

［2］程迎軍，羅樂，等.多芯片組件散熱的三維有限元分析[J].電子組件與材料.2004, 23（5）.

［3］張建榮, 劉照球. 混凝土對(duì)流換熱系數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006, 39（9）.

［4］Teoh King Long, Goh Mei Li, Seetharamu K N, et al. A fresh look at thermal resistance in electronic packages [A]. Proceedings of IEEE 2000 Electronic Packaging Technology Conference [C]. 2000.124.

［5］A.Bar-Cohen. Thermal Management pf Air-and-Liquid-Cooled Multiple Modules[C]. IEEE Transactions On Components, Hybridd and Manufacturing Technology,1987.

［6］張琴.多熱源耦合場(chǎng)下多芯片組件的熱分析研究[D].成都：電子科技大學(xué),2004.

［7］http：//www.laolin.com/ssgg/cutetea/ch3/MBC.htm[EB/OL].