高集成電路模塊的高速空氣射流冷卻技術(shù)研究

辛?xí)苑澹X吉裕，周 仝，劉明罡

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高集成電路模塊的高速空氣射流冷卻技術(shù)研究

辛?xí)苑?，錢吉裕，周 仝，劉明罡

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高集成電路模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝密度大、體積熱流密度高、熱設(shè)計(jì)空間小的特點(diǎn)，無法采用常規(guī)風(fēng)冷或常規(guī)液冷的冷卻方式。針對這一特點(diǎn)，文中提出了一種高速空氣射流冷卻方法，并結(jié)合仿真與試驗(yàn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該冷卻方式能夠解決高集成電路模塊的熱設(shè)計(jì)問題，為其他類似電子器件的散熱問題提供了參考。

高集成電路模塊；熱設(shè)計(jì)；高速空氣射流；冷卻

引 言

由電子元器件組建的各種系統(tǒng)在通信、交通、航空航天、軍事武器系統(tǒng)等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面起著至關(guān)重要的作用，推動(dòng)著國家和社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。集成電路的集成度每3年增長4倍，特征尺寸每3年縮小2倍。隨著微電子技術(shù)特別是軍用電子和微波器件的飛速發(fā)展，以及軍用高功率密度器件和微波器件的使用，電子設(shè)備功率密度越來越大，單位體積容納的熱量越來越高[1-3]。有資料表明，器件的工作溫度每升高10 ℃，失效率增加1倍[4]。不合理的熱設(shè)計(jì)會(huì)引起電路組件局部過熱，超過半導(dǎo)體芯片可承受的結(jié)溫即會(huì)燒毀。半導(dǎo)體芯片的可靠工作與溫度關(guān)系極大，在較高溫度下工作的半導(dǎo)體器件不僅可靠性下降而且輸出功率也會(huì)大大降低。同時(shí)，隨著集成電路規(guī)模和電子組裝密度的不斷提高，單位體積容納的熱量越來越高，熱設(shè)計(jì)空間越來越小，必須考慮高效、可靠的熱設(shè)計(jì)方法。

本文根據(jù)結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)新地采用了高速空氣射流冷卻的方法對高集成電路模塊進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，結(jié)合仿真與試驗(yàn)進(jìn)行研究，成功地應(yīng)用于某集成電路模塊的調(diào)試。

1 結(jié)構(gòu)介紹

某毫米波組件厚約5 mm，在約40 mm的寬度上均布8個(gè)功率管(單管熱耗約1.4 W)，在靠近功率管的前端部分用螺釘壓接尺寸為40 mm(寬)×10 mm(長)×1 mm(厚)的功能底板。其主要熱構(gòu)件分布如圖1所示。

發(fā)熱功率管芯片自上至下的熱通路如圖2所示，發(fā)熱芯片(熱點(diǎn))與LTCC(低溫共燒陶瓷)焊接，LTCC與組件底板焊接，三者形成一個(gè)獨(dú)立、密封的腔體，厚約4 mm。組件底板與結(jié)構(gòu)底板(厚約1 mm)采用螺釘壓接，腔體、結(jié)構(gòu)底板及功能底板組成一個(gè)組件，多個(gè)組件層疊排列，形成一個(gè)高集成電路模塊。

圖1 毫米波組件主要熱構(gòu)件分布示意圖

圖2 發(fā)熱芯片至結(jié)構(gòu)底板熱通路示意圖

該模塊的組件排列緊密，組件間無間隙，無傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)空間。功能底板伸出組件端面約7 mm，板間空隙約3 mm，本文的高速空氣射流冷卻即為對該部分功能底板吹強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行冷卻。

2 仿真計(jì)算

為分析各種工況下的溫升結(jié)果，通過工程熱設(shè)計(jì)軟件FloTHERM建立了仿真模型，對傳熱和散熱進(jìn)行了仿真分析。

2.1 無主動(dòng)散熱措施

無主動(dòng)散熱措施的高集成電路模塊實(shí)際工作時(shí)間要求約1 min左右。在這種情況下，功率管產(chǎn)生的熱量主要通過結(jié)構(gòu)件本身的熱容來消耗。溫升與持續(xù)時(shí)間成正比：Q=Pt，Q為總熱容，P為發(fā)熱功率，t為持續(xù)時(shí)間。

圖3給出了無主動(dòng)散熱措施時(shí)組件功率管殼溫和結(jié)構(gòu)底板溫度隨時(shí)間變化的曲線。仿真初始溫度為20 ℃，1 min后結(jié)構(gòu)底板溫度為58 ℃，溫升約38 ℃。

圖3 無主動(dòng)散熱措施時(shí)的溫升曲線

2.2 高速空氣射流冷卻

該高集成電路模塊的實(shí)際工作時(shí)間僅為1 min，此時(shí)僅需考慮結(jié)構(gòu)件熱容大小，基本不需要考慮主動(dòng)散熱措施。但是，該模塊的調(diào)試階段需要長時(shí)間工作，此時(shí)必須考慮雷達(dá)的主動(dòng)散熱措施。模塊組件部分排列緊密，組件間無間隙，無熱設(shè)計(jì)空間，體積熱流密度大，普通風(fēng)冷或液冷無可設(shè)計(jì)空間，必須考慮其他方法。

本文采用高速空氣射流冷卻對功能底板進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)冷散熱，不同風(fēng)速條件下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 高速空氣射流冷卻溫升曲線

從圖4可以看出，約10 min后組件溫度變化趨于穩(wěn)定。來流速度50 m/s時(shí)，功率管殼溫可達(dá)125 ℃，結(jié)構(gòu)底板溫度87 ℃；來流速度60 m/s時(shí)，功率管殼溫為118 ℃，結(jié)構(gòu)底板溫度為80 ℃。溫度場與速度場如圖5所示(來流風(fēng)速50 m/s)。

圖5 來流風(fēng)速50 m/s時(shí)的溫度場及速度場

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 無主動(dòng)散熱措施

圖6為無主動(dòng)散熱措施的熱電阻模擬試驗(yàn)組件，兩排發(fā)熱電阻用來模擬發(fā)熱點(diǎn)位置變化，試驗(yàn)中僅給前排發(fā)熱電阻加電。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，加電1 min時(shí)結(jié)構(gòu)底板最大溫升約為35 ℃，與仿真結(jié)果38 ℃接近。

圖6 無主動(dòng)散熱措施的試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 無主動(dòng)散熱措施試驗(yàn)的溫升曲線

3.2 高速空氣射流冷卻

為方便測試、減小誤差，將多個(gè)組件試驗(yàn)件依次疊放排列，并在組件周圍做好保溫措施，僅留功能底板(伸出陣列組件約7 mm)，風(fēng)口設(shè)計(jì)等如圖8所示。

圖8 功能底板陣列的高速空氣射流冷卻試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，供風(fēng)風(fēng)速為48 m/s，溫度20 ℃，10 min后結(jié)構(gòu)底板溫度基本穩(wěn)定在85 ℃～90 ℃之間，與風(fēng)速50 m/s的仿真結(jié)果87 ℃接近。

圖9 高速空氣射流冷卻試驗(yàn)的溫升曲線

試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)功能底板在強(qiáng)風(fēng)條件下的震顫等現(xiàn)象，穩(wěn)定性好。

4 結(jié)果分析

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為接近，互相佐證。高速空氣射流冷卻方式可較好地解決某高集成電路模塊的散熱問題。但在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮強(qiáng)風(fēng)條件下的結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性問題，功能底板不能太長，否則可能發(fā)生震顫，影響功能底板的電訊性能。

5 結(jié)束語

通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了某高集成電路模塊的熱設(shè)計(jì)。該模塊的主要熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：無熱設(shè)計(jì)空間，體積熱流密度大。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)思路，通過功能底板的高速空氣射流冷卻有效地解決了組件散熱問題。給某高集成電路模塊的熱設(shè)計(jì)提供了較好的方法，并為其他類似電子器件的散熱設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] 楊邦朝, 熊流鋒, 杜曉松, 等. 集成電路封裝的三維熱模擬與分析[J]. 功能材料, 2002, 33(1): 67-69.

[3] 余詠梅. 高密度陶瓷封裝外殼散熱問題探討[J]. 電子與封裝, 2006, 6(7): 25-27.

[4] OZMAT B. Interconnect technologies and the thermal performance of MCM[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1992, 15(5):860-869.

辛?xí)苑?1982-)，男，博士，主要從事電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)、環(huán)境控制等方面的研究。

關(guān)于召開“電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)”專題研討會(huì)的通知

為幫助電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員和振動(dòng)等環(huán)境檢測人員深入研究振動(dòng)工程設(shè)計(jì)、振動(dòng)檢測和振動(dòng)控制等相關(guān)內(nèi)容，中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)決定于2013年9月13日～9月16日在南京召開“電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)”專題研討會(huì)，特邀季馨教授系統(tǒng)講解振動(dòng)環(huán)境對電子設(shè)備電性能的可靠性和長壽命影響機(jī)理，提高電子設(shè)備抗振動(dòng)設(shè)計(jì)的理論及典型隔振系統(tǒng)的力學(xué)特點(diǎn)、常用隔振器特性和新型隔振器設(shè)計(jì)方法，振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)方法及評價(jià)準(zhǔn)則等內(nèi)容。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場演示及互動(dòng)交流活動(dòng)。歡迎大專院校、企事業(yè)單位、科研院所等從事電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員和振動(dòng)等環(huán)境檢測人員參加。

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中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)

Study on High Velocity Air-jet Cooling of Compact Integrated Circuits

XIN Xiao-feng，QIAN Ji-yu，ZHOU Tong，LIU Ming-gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Compact integrated circuits have the characteristics of compact structure, high heat-flux density and very limited space for thermal design, which makes regular cooling methods such as air cooling and liquid cooling not applicable. In this article, a high velocity air-jet cooling method for compact integrated circuits is presented, both numerical simulation and experimental study are carried out. The results show that the high velocity air-jet cooling method meets the demands of the thermal design of compact integrated circuits, and provides a reasonable reference for the cooling design of similar electronic devices.

compact integrated circuits; thermal design; high velocity air-jet; cooling

2013-07-25

TK172

A

1008-5300(2013)04-0022-03