封裝殼體對高功率器件散熱特性影響研究

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著電子、微電子技術(shù)的發(fā)展軍用雷達(dá)器件朝著高功率、高密度封裝的方向發(fā)展，微波功率放大芯片已從硅芯片、GaAs芯片發(fā)展到了GaN芯片。GaN芯片具有禁帶寬度大、輸出功率大、耐高溫等優(yōu)點[1-2]，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)等電子裝備。雖然GaN芯片具有上述優(yōu)點，但隨著芯片尺寸越來越小，熱耗卻越來越大，對冷卻技術(shù)的研究越來越高。以往關(guān)于高功率器件冷卻方式的研究主要集中在單相/兩相冷卻介質(zhì)[3]、微細(xì)結(jié)構(gòu)冷板[4-5]、沖擊射流[6]和高效熱擴展材料[7-8]等某一方面，對器件散熱具有非常大的優(yōu)勢，但考慮到軍用雷達(dá)電子裝備特殊使用環(huán)境以及雷達(dá)冷卻系統(tǒng)集成與工藝實現(xiàn)方式[9]，上述單一冷卻手段對解決GaN高功率芯片散熱的系統(tǒng)問題可能還存在一定的差異。

因此，本文主要針對GaN裸芯片封裝結(jié)構(gòu)形式，從工程角度出發(fā)，研究不同T/R封裝殼體材料、厚度、局部嵌入熱擴展材料對散熱特性的影響，并結(jié)合工程實際給出相關(guān)參數(shù)的工程最優(yōu)值，以便指導(dǎo)高功率、高熱流密度T/R組件冷卻設(shè)計。

1 GaN芯片散熱構(gòu)型

對GaN裸芯片，其典型散熱構(gòu)型如圖1所示。GaN芯片一般先通過金錫焊料焊接在芯片襯底(如鉬銅襯底，Mo80Cu20)上，芯片襯底通過錫鉛焊料焊接在T/R組件殼體上，T/R組件殼體通過螺接壓緊在冷板上，并在其接觸面上均勻涂敷導(dǎo)熱硅脂以降低界面接觸熱阻，冷板通過65號乙二醇冷卻液帶走組件熱量。

圖1 GaN裸芯片散熱模型

2 熱阻定義

芯片傳熱過程中的傳熱熱阻定義為

i為芯片傳熱路徑中的各層。當(dāng)i為芯片時，R芯片-流體即為該傳熱構(gòu)型下的總熱阻；若i為T/R組件殼體，RT/R -流體表示熱耗為Q的熱源施加到T/R組件殼體及以下部分區(qū)域的最大傳熱熱阻。

那么，各層的熱阻定義為Ri=Ri-流體-R(i-1)-流體。由于芯片到冷板的傳熱面積是不斷變化的，使得各接觸面上存在溫度梯度，臨近熱源的區(qū)域出現(xiàn)更高的局部溫度，因此，總的傳熱熱阻不僅包含一維傳導(dǎo)熱阻Rcond，還包含由于界面變化、界面溫度梯度而產(chǎn)生的擴展熱阻Rsp。因此有

3 熱分析模型

根據(jù)圖1所示模型特點，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進行部分簡化，忽略了組件與周圍空氣的對流散熱及輻射散熱因素，冷卻流道拐角處按90°直角處理，不考慮流道粗糙度；模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 GaN芯片冷卻模型

h為T/R組件殼體厚度；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)。冷板考慮3種常用規(guī)格翅片，如表2所示。

冷板采用鋁合金5A06材料，上下水道壁厚2.0mm，冷卻液為65號軍用航空冷卻液，供液溫度為40 ℃，為忽略冷卻液供液參數(shù)對散熱的影響，供液流量均設(shè)為1.0 L/min。

表2 冷板內(nèi)翅片形式

計算中，將芯片熱流密度設(shè)定為300 W/cm2。

4 結(jié)果分析

4.1 傳熱路徑熱阻特性

圖2給出了芯片正中心下方的溫度分布和溫度梯度分布。由圖2可知，在熱界面層附近，出現(xiàn)非常大的溫度梯度變化，這是由于界面處溫度連續(xù)，材料導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差異所致；在T/R組件殼體層內(nèi)，隨著傳熱距離的增加，T/R組件殼體內(nèi)溫度梯度逐漸減小，表明熱量不僅向冷端傳遞，也向周邊擴散，因為熱量如果只進行一維熱傳導(dǎo)，那么其溫度梯度應(yīng)該保持不變。

表3給出了h=2.15 mm，λ=120 W·m-1·K-1，冷板翅片為構(gòu)型2時，芯片傳熱路徑熱阻值大小及其所占總熱阻的比例。由表3可知，芯片傳熱過程中，熱阻礙的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為T/R組件殼體和熱界面層，其熱阻比例約占總熱阻的70%，冷板熱阻約占總熱阻的11.4%，金錫焊層、芯片襯底和錫鉛焊層三層熱阻約占總熱阻18%。然而，除非封裝封裝構(gòu)型或生產(chǎn)工藝改進，金錫焊層、錫鉛焊層不可能省去，要降低該部分的傳熱熱阻，只能通過微組裝工藝控制，控制焊層厚度、焊透率等，但對改善熱阻的貢獻較低。因此，要降低芯片傳熱熱阻，那么首先應(yīng)考慮降低T/R組件殼體熱阻和熱界面層熱阻。

圖2 芯片正中心下方的溫度分布及溫度梯度分布

表3 芯片傳熱路徑中的熱阻特性

4.2 冷板構(gòu)型對散熱的影響

圖3給出了h=2.15 mm，不同冷板構(gòu)型條件下，芯片殼溫隨T/R殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，由圖可知，在常用冷板翅片規(guī)格的條件下，冷板構(gòu)型對散熱影響較小。

圖3 不同冷板構(gòu)型下芯片殼溫隨λ的變化規(guī)律

4.3 T/R殼體對散熱的影響

圖4給出了λ=120 W·m-1·K-1，冷板翅片為構(gòu)型2，芯片傳熱總熱阻(Rtot)、T/R殼體熱阻(RT/R)和界面接觸熱阻(RTIM)隨T/R殼體厚度變化規(guī)律。由圖4可知，隨著T/R殼體厚度的增加，總熱阻Rtot逐漸減小。當(dāng)T/R組件殼體厚度h<1.0 mm時，界面接觸熱阻RTIM遠(yuǎn)大于T/R殼體熱阻RT/R，此時，熱界面層是整個傳熱過程中熱阻礙的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；當(dāng)T/R組件殼體厚度介于1.0～1.5 mm時，熱阻有較大的階躍變化；當(dāng)T/R組件殼體厚度h>1.5 mm時，T/R殼體厚度對熱阻的變化影響較小。圖5給出了T/R殼體熱阻RT/R、界面接觸熱阻RTIM占總熱阻的比例變化。由圖5可知，當(dāng)h>1.5 mm時，T/R殼體熱阻RT/R約占總熱阻的40%～60%，而界面接觸熱阻RTIM占總熱阻的比例卻由約25%逐漸降低到10%左右，表明此時T/R殼體熱阻是整個傳熱過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖4 熱阻隨h變化關(guān)系

圖5 熱阻比例隨h變化關(guān)系

圖6給出了圖4對應(yīng)工況下，T/R組件殼體熱阻RT/R，T/R擴展熱阻Rsp與傳導(dǎo)熱阻(Rcond)隨厚度h的變化關(guān)系。由圖6可知，當(dāng)T/R殼體厚度h約大于1.5 mm時，隨著厚度h的增加，擴展熱阻有明顯增大，擴展熱阻Rsp在T/R殼體傳熱過程中的逐漸起主導(dǎo)作用。此時，盡管RT/R隨著T/R殼體厚度的增加而增加，但擴展散熱能力卻隨著厚度的增加而逐漸增強，熱量向冷端傳遞的同時，也向周邊擴散，使得熱流密度向冷端傳遞過程中迅速衰減。換句話說，隨著厚度增加，增大了芯片傳熱過程中的散熱通道，使得總熱阻也快速減小。因此，當(dāng)h>1.5 mm時，提高T/R殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)，可推測將大幅降低芯片傳熱路徑熱阻。

圖6 T/R組件殼體熱阻隨h變化關(guān)系

圖7～圖9給出了冷板構(gòu)型2條件下，芯片傳熱路徑熱阻Rtot、殼體熱阻占總熱阻的比例RT/R/Rtot和界面接觸熱阻占總熱阻的比例RTIM/Rtot隨T/R殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)λ、殼體厚度h的變化規(guī)律。

由圖7～圖9可知，在常用冷板構(gòu)型條件下，T/R殼體最優(yōu)厚度為1.5～ 2.5 mm之間，若厚度h<1.5 mm，芯片傳熱路徑熱阻Rtot迅速增加，若厚度h>2.5 mm，靠增加厚度降低芯片傳熱路徑熱阻Rtot效費比較低。當(dāng)T/R殼體厚度h>1.5 mm時，T/R殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)對RTIM/Rtot的影響較小，但對RT/R/Rtot影響較大。當(dāng)λ>400 W/(m·K)，h>2 mm時，T/R殼體熱阻與界面接觸熱阻占總熱阻比例約小于50%，此時冷板熱阻、芯片焊接熱阻對整個傳熱過程有較大影響，需協(xié)同考慮散熱構(gòu)型、封裝工藝、散熱路徑優(yōu)化才能解決高功率GaN芯片散熱問題。

圖7 Rtot隨λ及h變化關(guān)系

圖8 RT/R/Rtot隨λ及h變化關(guān)系

圖9 RTIM/Rtot隨λ及h變化關(guān)系

4.4 局部嵌入熱擴展材料對散熱的影響

在實際工程應(yīng)用中，T/R殼體材料厚度受空間、重量、單元間距等因素的影響，厚度不可能無限制增加，同時，考慮到器件散熱的影響，由3.3節(jié)分析可知，T/R組件殼體最優(yōu)厚度介于1.5～2.5 mm之間。從散熱的角度來說，希望T/R殼體材料的導(dǎo)熱系數(shù)無限大，但實際工程中，受T/R組件組裝工藝、材料加工性能等因素的影響，目前T/R組件殼體通常使用鋁合金、鋁硅、AlSiCp等材料，導(dǎo)熱系數(shù)一般不大于200 W/(m·K)，T/R組件殼體熱阻成為芯片散熱過程熱阻礙的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為降低芯片傳熱過程中T/R殼體熱阻，采用在T/R組件殼體材料中局部貫穿嵌入高導(dǎo)熱材料，實現(xiàn)高功率GaN芯片低傳熱路徑熱阻設(shè)計。

針對2.5 mm×3.8 mm的GaN芯片，假設(shè)局部嵌入高導(dǎo)熱熱擴展材料尺寸為2.5xmm×3.8xmm，其中，x為系數(shù)?？紤]實際工況，熱擴展材料的極限尺寸為芯片工作頻段的半波長長度，因此，S波段及以上頻段，系數(shù)x的取值范圍一般介于[0,8]，當(dāng)x=0時，表示未嵌入高導(dǎo)熱材料。當(dāng)在鋁硅殼體上，嵌入不同尺寸，不同材料導(dǎo)熱系數(shù)熱擴展材料時，芯片殼溫變化如圖10所示。

圖10 芯片殼溫隨嵌入材料大小的變化關(guān)系

由圖10可知，當(dāng)嵌入材料導(dǎo)熱系數(shù)大于300 W/(m·K)，嵌入材料截面積大于4倍芯片面積時，芯片殼溫能有效降低10 ℃。采用在T/R組件殼體局部區(qū)域嵌入高導(dǎo)熱復(fù)合材料的方式，盡可能的兼容了現(xiàn)有的系統(tǒng)構(gòu)架，冷卻構(gòu)架，工藝實施方案，在保證技術(shù)實施的前提下，拓展了器件散熱能力。

5 結(jié)束語

本文針對GaN裸芯片典型結(jié)構(gòu)，從完整傳熱路徑角度入手，分析了T/R組件殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)、厚度對芯片散熱的影響規(guī)律，分析結(jié)果對指導(dǎo)GaN高熱流密度芯片散熱具有借鑒意義；采取局部嵌入高導(dǎo)熱熱擴展材料的方式，為解決GaN高熱流密度芯片散熱提供了一種新思路。