自然散熱元器件陶瓷金屬外殼熱設(shè)計

許家瑞

摘要：自然散熱的電子產(chǎn)品外殼設(shè)計中，選用耐溫高、內(nèi)部熱阻低的芯片，選用熱導(dǎo)率高的金屬做外殼，增大外殼有效散熱面積，增強表面輻射強度，選用熱導(dǎo)率高、厚度薄的導(dǎo)熱材料做介質(zhì)，設(shè)計合理的接觸面，能有效避免產(chǎn)品過熱問題。

關(guān)鍵詞：自然散熱；外殼設(shè)計；復(fù)合材料

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)在人們的生產(chǎn)生活以及國防裝備當(dāng)中得到普遍應(yīng)用。特別是在一些關(guān)鍵或核心領(lǐng)域，即使是一個小的電子元器件出現(xiàn)問題，都極易可能造成極大的危害。特別是近些年隨著硅集成電路的普遍應(yīng)用，電路的集成得到了成倍的增加，因此各電子元器件或芯片的熱量也得到了相應(yīng)的增加。同時在電子產(chǎn)品小型化，高功率的背景下，電子元器件或電子設(shè)備的散熱問題就成為了保障設(shè)備安全可靠的關(guān)鍵性問題。因此對于現(xiàn)代電子元器件或電子設(shè)備若想保持安全可靠性就需要采取科學(xué)合理的熱設(shè)計。

1 挑戰(zhàn)和機遇

DOCSIS模塊是配合DOCSIS網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的新模塊，是代替現(xiàn)有HMS應(yīng)答器的產(chǎn)品。該模塊普遍應(yīng)用于CATV傳輸網(wǎng)絡(luò)的光站和放大器設(shè)備中，這些設(shè)備基本都是野外型或是室外型。由于HMS模塊已經(jīng)應(yīng)用在諸多的光站和放大器平臺中，因此，DOCSIS模塊的外形尺寸和連接器位置都不能改變。但由于DOCSIS模塊功能的極大提升、新的集成芯片的使用，模塊的功耗有成倍的增長。在有限的空間范圍內(nèi)，模塊熱設(shè)計遇到了極大的挑戰(zhàn)。近十年，新型高散熱材料如復(fù)合材料、彌散鋁銅、氮化鋁等的加工技術(shù)有較快的發(fā)展，導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率有很大的提升，有限元熱設(shè)計分析工具更是被廣泛應(yīng)用，這給外殼熱設(shè)計提供了強有力的技術(shù)支持。

2. 大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的考慮因素

2.1.大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱方式

大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱方式有三種，即導(dǎo)熱、對流和輻射。其中導(dǎo)熱基本是由氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞，金屬自由電子的運動，非導(dǎo)電固體晶格結(jié)構(gòu)的振動以及液體彈性波產(chǎn)生的。對流則是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著導(dǎo)熱現(xiàn)象。流體流過某物體表面時所發(fā)生的熱交換過程稱為對流。輻射主要為電磁波一般考察與太陽、空間環(huán)境間的傳熱時才考慮，其輻射傳熱系數(shù)為：hr=εσF1，2（T12+T22）（T1+T2），本文中不進行詳細(xì)討論。

2.2 大功率電子元器件結(jié)溫

從廣義上將元器件的有源區(qū)稱為“結(jié)”，而將元器件的有源區(qū)溫度稱為“結(jié)溫”。元器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件的PN結(jié)區(qū)，場效應(yīng)器件的溝道區(qū)或肖特器件的接觸勢壘區(qū)，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等，默認(rèn)為芯片上的最高溫度。大功率電子元器件的最高結(jié)溫，對于硅器件塑料封裝為125～150℃，金屬封裝為150～200℃。對于鍺器件為70～90℃當(dāng)結(jié)溫較高時（如大于50℃），結(jié)溫每降低40～50℃，元器件壽命可提高約一個數(shù)量級。所以對于航空航天和軍事領(lǐng)域應(yīng)用的元器件，由于有特別長壽命或低維護性要求，并受更換費用限制以及須承受頻繁的功率波動，平均結(jié)溫要求低于60℃。

2..3大功率電子元器件的熱環(huán)境

元器件的環(huán)境溫度是指元器件工作時周圍介質(zhì)的溫度。對安裝密度高的元器件的環(huán)境溫度只考慮其附近的對流換熱量，而不包括輻射換熱和導(dǎo)熱。熱環(huán)境按下列條件設(shè)定，冷卻劑的種類、溫度、壓力和速度；設(shè)備的表面溫度、性質(zhì)和黑度；電子元器件和設(shè)備周圍的傳熱途徑。

3 陶瓷基板與金屬復(fù)合基板的溫度比較

由于AlN基板有比較高的熱傳導(dǎo)性能，能使LED芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到金屬外殼，并通過熱輻射和空氣對流方式散發(fā)出去，使LED芯片的熱阻降低，散熱效果最好，銅基板次之，最差的就是Al2O3，對于導(dǎo)熱率比較差的Al2O3基板，優(yōu)化芯片的排列就顯的尤為重要。從成本來考慮，對這種功耗分配不均的問題，銅基板是一個不錯的選擇。結(jié)果表明：合理的配置COB芯片的分布，可以有效的減低由于芯片功耗不同所引起的芯片溫度不均衡問題。從而保證COB芯片壽命的一致性，并提高其光效和壽命。

3.2 陶瓷基座的平整度

瓷體的平整度不僅對封口氣密性和外引線焊接強度有直接的影響，而且對功耗型外殼的散熱片焊接強度也有較大的影響。可通過以下措施加以解決：調(diào)節(jié)層壓壓力、設(shè)計合理的燒結(jié)曲線和相關(guān)工藝參數(shù)來保證瓷件良好的平整度。對極少數(shù)平整度不理想的瓷片，還可通過壓燒的方法解決。在實際應(yīng)用，散熱片可以選用銅-鎢-銅、銅-鉬-銅這種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。其中銅鉬銅導(dǎo)熱率為260W/m·K，比鎢一銅、鉬一銅在與陶瓷件的結(jié)合強度和散熱片的電鍍質(zhì)量方面要好得多。釬焊工藝改進集成電路陶瓷封裝外殼（功耗型），金屬件與陶瓷基座釬焊工藝，根據(jù)不同的銀銅焊料配比，采用不同的焊接工藝。當(dāng)散熱片材料為鎢一銅、鉬一銅合金時，采用銀銅（AgCu28）焊料，陶瓷與封接環(huán)、外引線、散熱片一次性焊接完成，釬焊溫度為785℃～815℃。

4 散熱片的電鍍

鎢一銅或銅-鉬-銅合金材料作為散熱片所選材料，在電鍍時很容易產(chǎn)生細(xì)小的針尖似小泡。這是由于它們均屬于難鍍金屬，因此，必須控制好前工序的處理工藝、保證被鍍件表面的清潔性、在帶散熱片陶瓷外殼的釬焊前，必須進行特殊的預(yù)處理，即在釬焊前對鎢銅或銅鉬銅合金材料散熱片先鍍上一層鎳，再進行釬焊，以減少電鍍起泡的幾率同時對鍍液加強監(jiān)控和維護。目前國內(nèi)較有效的方式是先對散熱片進行研磨、去油、酸洗等鍍前處理，然后采用化學(xué)鍍鎳（鎳硼）作為底層鎳在散熱片表面形成一層結(jié)合力較強的薄鎳，然后再進行電鍍鎳。電鍍完成后，還需要在進行鎳層燒結(jié)工藝：在氫氮氣氛或真空中，850℃存放15分鐘，增強鍍層結(jié)合力。

5 釬焊工藝改進

集成電路陶瓷封裝外殼（功耗型），金屬件與陶瓷基座釬焊工藝，根據(jù)不同的銀銅焊料配比，采用不同的焊接工藝。當(dāng)散熱片材料為鎢一銅、銅-鉬-銅復(fù)合材料時，采用銀銅（Ag72Cu28）焊料，陶瓷與封接環(huán)、外引線、散熱片一次性焊接完成，釬焊溫度為785℃～815℃。當(dāng)散熱片材料為銅-鎢-銅時，采用銀鎬焊料，其焊接工藝必須進行改進，同于常規(guī)產(chǎn)品。它除了嚴(yán)格要求釬焊爐保護氣體的純度、釬焊時間一溫度曲線外，還必須嚴(yán)格釬焊工藝步驟，分兩次裝配、釬焊來完成。首先將封接環(huán)、外引線焊接好，采用Ag72Cu28。焊料，釬焊溫度為785℃～815℃；再將散熱片焊接好，采用銀鎬焊料，釬焊最高溫度為710士10℃，通過釬焊工藝的優(yōu)化改進，可較好地解決集成電路陶瓷封裝外殼散熱片焊接強度問題。

6 結(jié)語

集成電路組裝密度不斷增加，導(dǎo)致其功率密度也相應(yīng)提高，集成電路單位體積發(fā)熱量也有所增加。在外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計上，如果不能及時地將芯片所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，設(shè)法抑制集成電路的溫升，必然對集成電路的可靠性產(chǎn)生極為嚴(yán)重的影響。因此，解決高密度陶瓷封裝外殼的散熱問題刻不容緩，它也是集成電路陶瓷封裝外殼需要攻克的難題之一。

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