基于Icepak的功率混合集成電路熱設計分析

馮雯雯　呂果　楊松　韓闖　馬朝驥

摘 要 本文基于 ANSYS Icepak 軟件，對影響功率集成電路熱性能的功能模塊布局方式以及外殼、基板、布線、焊接材料等設計因素進行初步研究，為功率集成電路的熱設計分析提供了建議和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ANSYS Icepak;熱設計;功率集成電路

中圖分類號： TM464文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.014

0 引言

混合集成電路具有組裝密度大、可靠性高、電性能好的優(yōu)點，并且能夠承受較高的電壓和較大的功率[1]。通常將功率密度達到1W/in2以上（或輸出功率大于5W）的混合集成電路，稱為功率混合集成電路。由于功率混合集成電路具有高功率、大功耗的特點，需要專門的設計和制造技術(shù)來提高散熱能力、控制內(nèi)部溫度，以滿足技術(shù)性能及可靠性要求[2]。本文采用基于有限元分析方法的ANSYS Icepak熱分析模擬軟件對功率混合集成電路進行熱設計分析。

1 典型工藝結(jié)構(gòu)及熱傳導模型

1.1 典型工藝結(jié)構(gòu)

以某功率驅(qū)動器為例，其工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示，功率部分的剖面圖見圖2。

1.2 熱傳導的數(shù)學模型

熱量傳輸有輻射、對流和傳導三種基本方式，其中熱傳導是指同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間，由于溫差產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象，其表達式為。

由上述公式可看出，導熱系數(shù)和導熱方向的截面積對熱傳導的散熱量影響較大。若要增強散熱，可增大導熱系數(shù)，選擇導熱系數(shù)較高的材料，或增加截面積等。

1.3 ANSYS Icepak軟件模型建立

ANSYS Icepak軟件建模有兩種方式，直接法和導入法。由于混合集成電路結(jié)構(gòu)較簡單，因此采用直接法進行建模。

首先對模型進一步簡化，略去對散熱影響較小的法蘭盤和非功率器件?；趫D1所示工藝結(jié)構(gòu)，在Icepak建模界面模型。并針對模型均為ANSYS Icepak原始幾何體的特點，采用非結(jié)構(gòu)化方式進行網(wǎng)格劃分。模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示

選擇模型，點擊【Edit】，在【Properties】界面，添加材料屬性，并按照表1參數(shù)設置元器件功耗值。

由于該功率集成電路模擬溫度條件為固定殼溫125℃，因此只考慮熱傳導和熱輻射兩種散熱方式。在【Basic settings】求解基本設置面板中，僅選擇【Temperature】，打開輻射換熱開關(guān)，并設置默認溫度為125℃。

2 功率混合集成電路熱分析

2.1 元器件布局對電路熱設計的影響

單板設計多應用于中低功率電路，其功率部分對電路其他單元影響很小時，可將功率部分和信號處理部分設計在同一基板上，其優(yōu)點是可以設計降低電路結(jié)構(gòu)復雜性，簡化工藝流程。分立設計是指將功率部分和信號處理部分布置在不同基板上，進行獨立的設計和工藝加工制作[2]。高功率和中高功率電路的功率部分若使用單板設計（圖4），對電路其他單元影響較大，因此需要將功率部分和信號處理部分設計在不同基板上（圖5），能通過獨立設計減小功率部分對其他部分的熱影響[5]。并且功率部分采用價格較高的高熱導率基板（AlN、BeO等），信號處理單元采用價格較低的常規(guī)基板（如Al2O3），在一定程度上降低了基板制作成本。

2.2 基體材料對電路熱設計的影響

2.2.1 底板材料

基于混合集成電路陶瓷類基板與金屬材料的匹配性考慮，常用的外殼材料包括10#鋼冷軋鋼。在散熱要求極高的情況下，可考慮底板部分使用鉬銅、鎢銅、紫銅等成本較高的銅基材料。

各種材料的熱傳導率及使用該種材料時器件表面最高溫度見下表。

2.2.2 基板材料

混合集成電路通常采用陶瓷基板，常規(guī)基板以96%Al2O3三氧化二鋁基板為代表，高導熱基板常用99%BeO氧化鈹、AlN氮化鋁等材料。此外，與BeO氧化鈹相比，AlN氮化鋁基板的一個重要特性是氮化鋁材料的熱膨脹系數(shù)為4.45×10-6/℃，與熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6/℃的Si十分接近，適合于功率IC芯片的高可靠組裝[6]。因此，當前AlN氮化鋁基板在功率電路中的使用則越來越廣泛。Al2O3陶瓷熱導率雖低，但有最多的厚膜漿料與之配套，對于功率不大的中低功率電路，可優(yōu)先選用Al2O3陶瓷。

三種基板的熱導率、適用功率密度、安全性及使用該種材料時器件表面最高溫度見下表。

2.2.3 布線方式

陶瓷基板常用布線方式有兩種，一為厚薄膜布線，二為直接覆銅。96%Al2O3、BeO、AlN三種基板材料均可以采用這兩種方式布線。厚薄膜工藝是陶瓷基板的主要布線方式。厚薄膜布線方式的優(yōu)點是工藝成熟、布線性能良好、工藝穩(wěn)定可靠。DBC布線是將銅箔直接附著在Al2O3、BeO和AlN基板表面，銅箔厚度通常為0.1mm～0.3mm，為厚膜布線導體厚度的數(shù)十倍，可承受更大電流，在對電流強度有特殊要求的情況下具有顯著優(yōu)勢。但同樣由于厚度原因，DBC銅箔布線對導熱有一定影響。各種材料的厚度、熱傳導率及使用該種材料時器件表面最高溫度見表4。

3 結(jié)論

由上文的討論結(jié)果可見，材料導熱系數(shù)熱導率和垂直于導熱方向的橫截面積對熱性能的影響最大。但同時應考慮工藝可靠性、各種裝配材料間的熱膨脹率匹配程度、加工安全性以及成本等問題。在條件允許的情況下，選擇導熱系數(shù)較大的材料，可改善電路散熱，降低元器件溫度，保證在使用過程中元器件結(jié)溫不超過額定值，進一步提高電路可靠性。對于文中實例電路而言，采用銅基底板材料可較大程度降低器件表面溫度，但結(jié)合成本及加工工藝成熟度等原因，最終選擇10#鋼外殼。厚膜BeO基板的散熱情況較好，但由于BeO氧化鈹本身材料具有毒性，且基板附著力較差，電流承受能力更強的AlN-DBC基板為更優(yōu)選擇。

本文運用 ANSYS Icepak 軟件，結(jié)合設計實例，對功率集成電路進行了較全面的熱模擬和分析，初步研究了外殼、基板、布線材料、焊接材料以及布局設計等因素對功率集成電路熱性能的影響，為功率集成電路的熱設計分析提供了研究依據(jù)。

參考文獻

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[2]夏俊生，周曦.功率HIC基板及其工藝布局設計研究[J].電子與封裝，2011，11（10）：10-14+17.

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[4]馬靜.基于ANSYS的板級電路熱分析及布局優(yōu)化設計[J].電子器件，2013，36（6）：802-805.

[5]張艷.厚膜DC/DC電源的散熱優(yōu)化設計[J].電源技術(shù)應用，2013 （3）：2+9.