功放芯片熱分析及散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

盛 重，陳曉青

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

T/R組件是構(gòu)成有源相控陣?yán)走_(dá)天線的基礎(chǔ)，是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件[1]。然而T/R組件中的功率放大器芯片工作時(shí)，輸出功率只占其輸入功率的一部分，其功率損耗都會(huì)以熱能形式散發(fā)出去。長(zhǎng)時(shí)間熱能的聚集會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生過高的溫度，致使芯片的可靠性降低并失效。隨著功率放大器芯片的性能指標(biāo)、功率密度以及可靠性要求的進(jìn)一步提高，其熱設(shè)計(jì)也越來越重要。

對(duì)T/R組件熱設(shè)計(jì)和熱分析，早已引起國內(nèi)外研究者的重視。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，生產(chǎn)出成品后再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要重復(fù)修改，顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已不能滿足生產(chǎn)需要[2]。熱仿真能夠在產(chǎn)品開始生產(chǎn)之前確定和消除熱問題，借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，改善產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，縮短研制周期。

文中基于熱仿真軟件Flotherm，通過與紅外熱像儀測(cè)試下的GaAs功率放大器芯片結(jié)溫對(duì)比，兩者溫度的誤差率低于6%，從而驗(yàn)證了仿真軟件的可靠性。并使用該軟件對(duì)T/R組件的散熱片進(jìn)行了優(yōu)化處理，達(dá)到了對(duì)T/R組件散熱的目的，提高了T/R組件工作時(shí)的可靠性。

2 基本理論

2.1 熱分析基本理論

熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱是傳熱的3種基本形式。熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律是傅里葉定律；對(duì)流換熱是指固體表面與它周圍接觸的流體之間，由于存在溫度差而引起的熱量交換，對(duì)流換熱可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流；輻射換熱指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)換為熱的熱量交換過程，在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。

2.2 熱設(shè)計(jì)的基本方法

熱設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一種是選用耐高溫的元器件，另一種只采用熱控制的方法。第一種方法選用耐高溫的元器件，即提高元器件允許的工作溫度，但是有時(shí)根本找不到更耐高溫的器件，因此工程上一般不推薦使用此方法。第二種方法即熱控制方法，其核心是對(duì)熱敏器件采用熱保護(hù)和合理選擇某些元器件的熱流通路，采用合理的安裝技術(shù)、優(yōu)化元器件布局，減少設(shè)備的發(fā)熱量。在設(shè)計(jì)中，通常是幾種方法同時(shí)進(jìn)行，從而達(dá)到最優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)效果。

3 紅外熱像儀的測(cè)試

3.1 紅外熱像儀概述

通過紅外熱像儀測(cè)量微電子器件的熱特性越來越為行業(yè)所重視[3]。文中采用的顯微紅外熱像儀為美國QFI公司生產(chǎn)的InfrascopeⅡ型，該熱像儀由InSb面陣紅外探頭、顯微支架、控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)幾部分組成。其測(cè)溫范圍為70～350 ℃，溫度靈敏度0.001 ℃，響應(yīng)波段為2 ～5 μm，脈沖采樣頻率高達(dá)200 MHz，空間分辨率達(dá)到2.5 μm。

紅外熱像儀可以直接測(cè)量物體表面溫度，其基本原理是通過探測(cè)物體向外輻射的能量，再根據(jù)物體的輻射系數(shù)以及輻射能量與物體表面溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推算出物體表面實(shí)際溫度。物體的熱分布轉(zhuǎn)化為可視圖像，并以彩色圖像顯示出來，從而得到測(cè)試物體的溫度分布結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)量的精度受到被測(cè)表面的發(fā)射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測(cè)量距離、環(huán)境溫度等因素的影響[4]。為了提高紅外熱像儀測(cè)溫的準(zhǔn)確性，在測(cè)試操作時(shí)應(yīng)該正確選擇測(cè)量的距離系數(shù)和物鏡放大倍數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場(chǎng)、準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率、避免周圍環(huán)境高溫問題影響、掃描鏡頭要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表面。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

文中GaAs功率放大器芯片設(shè)計(jì)為四級(jí)放大結(jié)構(gòu)，放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的柵寬比值為1∶2∶4∶8，因此其熱功率損耗為1∶2∶4∶8。在實(shí)際工作狀態(tài)下，電流為2.8 A，算出熱損耗功率為16.8 W，試驗(yàn)采用連續(xù)波工作。試驗(yàn)時(shí)紅外熱像儀的臺(tái)面溫度設(shè)為70 ℃，即功率放大器模塊的外殼溫度保持70 ℃。芯片中的每根柵條上下都整齊排列著填金的通孔，金的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于GaAs芯片，通孔具有很好的傳熱效果，它可以迅速地將柵條上聚集的熱量快速地傳遞到無氧銅載體及模塊外殼上。由于模塊外殼與控制臺(tái)相接觸，控制臺(tái)始終將模塊外殼保持在70 ℃，即控制臺(tái)對(duì)模塊外殼起到強(qiáng)迫冷卻的效果。利用溫差與熱損耗功率的比值可以算出芯片模塊的熱阻，因此通過此測(cè)試可知，只要確定模塊外殼溫度，就可以算出芯片結(jié)溫，這樣可以有效地保證芯片在安全的溫度環(huán)境下工作。

圖1 功放芯片溫度場(chǎng)分布圖

試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如圖1所示，圖1(a)與(b)分別是紅外熱像儀放大1倍和25倍所測(cè)試的結(jié)果。文中GaAs功率放大器的柵長(zhǎng)為深亞微米。紅外熱像儀的分辨率為數(shù)微米。由于紅外熱像儀的分辨率達(dá)不到器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，測(cè)得的溫度是一定范圍的平均值，所以顯示的溫度低于最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。圖1(a)顯示的是GaAs功率放大器芯片表面管芯區(qū)域的平均溫度，而圖1(b)顯示的是柵極與漏極之間溝道處的平均溫度，也即是芯片可承受的溫度。兩種放大倍數(shù)下的測(cè)試結(jié)果相差很大，這主要是因?yàn)榉糯蟊堵试叫?，空間分辨率越低，得到的是更大范圍的平均值，比最熱點(diǎn)的溫度低得更多。這是用不同放大倍率的鏡頭測(cè)得的溫度不同的主要原因。

4 熱仿真模擬計(jì)算

4.1 軟件的模型建立和網(wǎng)格劃分

Flotherm是由英國Flomerics軟件公司開發(fā)的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，F(xiàn)lotherm軟件采用成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)，其核心熱分析模塊可以完成建立分析模型、求解計(jì)算、可視化后處理、分析報(bào)告等所有基本功能。它可以完全滿足系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)、封裝級(jí)等各種層次的分析。

圖2 功率放大芯片模塊圖

實(shí)體模型由Solidworks繪制而成，功率模塊主要由GaAs芯片、無氧銅載體、AuSn焊料、SnPb焊料、微帶線、無氧銅殼體等組成，如圖2所示。將實(shí)體模型導(dǎo)入到flotherm軟件中，并將軟件中自帶的材料屬性附于每個(gè)實(shí)體。

芯片正常工作時(shí)，電流流過漏極、源極之間的溝道，在柵極、漏極之間的電阻最大，也就是熱損耗最大的位置。因此為了與實(shí)際情況相符合，建立柵極與漏極的溝道模型，并將熱損耗功率按比例平均分配到每個(gè)模型中去。

對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越密，計(jì)算的精度越高，但網(wǎng)格劃分過多，將會(huì)使計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。功放模塊中芯片是研究的重點(diǎn)，因此將細(xì)密的局部網(wǎng)格應(yīng)用于芯片，對(duì)模塊殼體采用粗糙網(wǎng)格。

4.2 模擬結(jié)果和分析

圖3是Flotherm用內(nèi)部求解器經(jīng)過500次迭代計(jì)算的結(jié)果，上圖是殘差曲線圖，下圖是檢測(cè)點(diǎn)的溫度曲線圖。在殘差曲線圖中，壓力和3個(gè)方向的速度曲線都完全收斂，溫度曲線殘差值小于10，可認(rèn)為溫度曲線也收斂。5條殘差曲線的收斂表明散熱系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)部沒有熱量積累，即功率模塊每時(shí)每刻產(chǎn)生的熱量都可以被及時(shí)地散發(fā)到系統(tǒng)外。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線圖反映了漏極與柵極之間溝道的溫度變化情況，在穩(wěn)定條件下，溫度值約為156 ℃。仿真的溫度值與實(shí)際測(cè)試值相接近，溫差只有8 ℃，誤差率為5.4%。

圖3 迭代求解及監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線圖

從圖4的GaAs功率放大器芯片溫度分布云圖可知，由于放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的熱功率損耗呈現(xiàn)遞增關(guān)系，溫度場(chǎng)中溫度的分布也是從低到高。其中，放大器的輸出級(jí)溫度最高，圖4下圖是對(duì)功率放大器芯片溝道的放大效果圖，溫度場(chǎng)分布與圖1相接近。

圖4 功放芯片溫度場(chǎng)分布圖

分別將紅外熱像儀的控制臺(tái)溫度調(diào)為85 ℃，將芯片電流改為3.5 A，即熱損耗功率為21 W。對(duì)修改參數(shù)后的模塊進(jìn)行測(cè)試并仿真，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。從表中可知，仿真的誤差率低于6%，驗(yàn)證了仿真模型是完全可行的。

表1 試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比圖

5 T/R組件的散熱器優(yōu)化

5.1 T/R組件模型建立

圖5為T/R組件模型，組件外殼尺寸為138 mm×90 mm×14 mm，組件分別由電路板、驅(qū)動(dòng)放大器模塊、功率放大器模塊、檢波模塊、隔墻等組成。散熱片長(zhǎng)寬尺寸為154 mm×134 mm，翅片的厚度為2 mm，長(zhǎng)度為20 mm。工作過程采用30%的占空比，其中兩個(gè)主要的研究參數(shù)需要考慮，分別是散熱片的翅片個(gè)數(shù)和散熱片底板的厚度。分別取散熱片底板的厚度2～7 mm，翅片個(gè)數(shù)5～25個(gè)，采用組合的方法，總計(jì)126種方案進(jìn)行研究。在Flotherm軟件中建立簡(jiǎn)化模型，并運(yùn)用Flotherm軟件中的Command Center功能，將方案組合自動(dòng)排列運(yùn)算。

5.2 散熱片翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖6是散熱片底板厚度對(duì)溫度的影響趨勢(shì)圖，分別取翅片數(shù)5個(gè)、10個(gè)、15個(gè)、20個(gè)、25個(gè)進(jìn)行分析。從圖中可知，底板厚度的變化對(duì)溫度影響較小，主要因?yàn)樵黾由崞装宓暮穸葧?huì)減小散熱片內(nèi)的擴(kuò)散熱阻，但是同時(shí)會(huì)增加垂直于散熱片方向的熱阻。底板的厚度不改變散熱片個(gè)數(shù)變化對(duì)溫度影響的趨勢(shì)。

圖6 散熱片底板厚度對(duì)溫度的影響趨勢(shì)圖

圖7是散熱片翅片數(shù)對(duì)芯片結(jié)溫的影響趨勢(shì)圖。隨著散熱片個(gè)數(shù)的增加，芯片結(jié)溫由高變低，當(dāng)翅片數(shù)為14個(gè)時(shí)，結(jié)溫達(dá)到最低，這主要是因?yàn)樵黾由崞瑪?shù)目會(huì)提高散熱片的性能。但隨著散熱片數(shù)目的增加，空氣流體會(huì)受到阻礙，溫度逐漸上升，影響散熱效果。當(dāng)翅片個(gè)數(shù)14個(gè)、底板厚5 mm時(shí)結(jié)溫最低。

圖7 散熱片翅片數(shù)對(duì)芯片結(jié)溫的影響趨勢(shì)圖

Flotherm軟件中的command center功能快速有效地優(yōu)化了散熱片的翅片及底板厚度，為選擇合適的散熱片尺寸提供了理論支撐。對(duì)比未優(yōu)化的散熱片與優(yōu)化后的，芯片結(jié)溫的溫差近6 ℃。采用優(yōu)化后的散熱片，芯片結(jié)溫可以有效降低，達(dá)到了對(duì)T/R組件散熱的目的，提高了T/R組件工作時(shí)的可靠性。

6 結(jié)論

文中GaAs功率放大器的柵長(zhǎng)為深亞微米。紅外熱像儀的分辨率為數(shù)微米。由于紅外熱像儀的分辨率達(dá)不到器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，測(cè)得的溫度是一定范圍的平均值，所以顯示的溫度低于最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。放大倍率越小，空間分辨率越低，得到的是更大范圍的平均值，比最熱點(diǎn)的溫度低得更多。這是用不同放大倍率的鏡頭測(cè)得的溫度不同的主要原因。

芯片正常工作時(shí)，柵極與漏極之間的溝道區(qū)域溫度最高，通過仿真可知，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。放大器輸入級(jí)、中間放大級(jí)和輸出級(jí)的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)遞增關(guān)系，其結(jié)果與實(shí)測(cè)值相吻合，誤差低于6%。

由T/R組件的散熱片優(yōu)化處理結(jié)果可知，散熱片底板對(duì)溫度影響較小，隨著散熱片數(shù)目的增加，溫度逐漸降低，直到散熱片的數(shù)目阻礙了空氣流動(dòng)，溫度開始上升。

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