LTCC 封裝散熱通孔的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉俊永

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，合肥230088；2.微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230088）

1 引言

LTCC 封裝產(chǎn)品在小型化、集成化、高速高頻、高性能等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在航天、航空、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著集成電路功率密度的進(jìn)一步提高，LTCC 封裝外殼的有效散熱是保證電路可靠性的一個(gè)重要因素。受限于LTCC 材料自身熱導(dǎo)率較低的問題，目前LTCC 封裝采用的散熱方式主要有三種：1）在功率芯片下方的LTCC 基板中嵌入高導(dǎo)熱金屬熱沉[2]；2）在LTCC 基板中制作液冷微流道[3-5]；3）在LTCC 基板中制作金屬散熱通孔[6-7]。

半導(dǎo)體集成電路封裝的熱阻是量度集成電路封裝所提供的散逸半導(dǎo)體結(jié)上熱量能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]。本文以某微波頻率源芯片的CLCC40 型LTCC封裝外殼為例，使用有限元仿真軟件對(duì)幾種不同的散熱通孔設(shè)計(jì)進(jìn)行3D 建模和穩(wěn)態(tài)熱仿真，通過對(duì)比芯片結(jié)到外殼的熱阻仿真結(jié)果，對(duì)散熱通孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 外殼模型

CLCC40 型LTCC 外殼的外形尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CLCC40 型LTCC 外殼的外形尺寸和結(jié)構(gòu)

為減少有限元仿真的計(jì)算量，對(duì)外殼內(nèi)部的導(dǎo)體線路做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，僅保留腔體內(nèi)鍵合焊盤線路、腔體底部接地金屬層、外殼底部中心接地金屬層和四周引出端焊盤。導(dǎo)體線路的材料均為銀，厚度為0.01 mm。在外殼腔體內(nèi)直接鍵合安裝了1 只外形尺寸為3.20 mm×2.60 mm×0.25 mm 的芯片。外殼被無縫隙固定安裝在1 塊外形尺寸為6.15 mm×6.15 mm×1.00 mm 的銅金屬熱沉上。

2.2 散熱通孔設(shè)計(jì)

在芯片下方的LTCC 外殼內(nèi)部，在尺寸為3.60 mm×3.00 mm×0.80 mm 的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)多種類型的散熱通孔，設(shè)計(jì)數(shù)值如表1 所示。其中，設(shè)計(jì)8 采用的陶瓷材料與通孔材料與設(shè)計(jì)9 和設(shè)計(jì)10 不同，其他參數(shù)完全相同。設(shè)計(jì)5 采用矩形陣列通孔布局，設(shè)計(jì)6 采用等邊三角形陣列通孔布局，設(shè)計(jì)8 采用9 層接地金屬層，3種通孔設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

表1 多種散熱通孔設(shè)計(jì)

圖2 3 種通孔設(shè)計(jì)方案（俯視+正視）

2.3 材料參數(shù)

LTCC 外殼模型各組成部分的材料參數(shù)如表2 所示。

表2 材料參數(shù)

2.4 仿真參數(shù)

設(shè)置有限元穩(wěn)態(tài)熱仿真的環(huán)境溫度為25 ℃，空氣狀態(tài)為靜止，芯片發(fā)熱功率為1 W，熱沉溫度恒定為60 ℃[8]，將與空氣接觸的外殼表面換熱系數(shù)設(shè)置為通用的5 W/(m2·K)。

同時(shí)，定義芯片結(jié)到外殼的熱阻為RθjC，芯片溫度用TJ表示，外殼底部溫度用TC表示，施加在芯片上以產(chǎn)生熱量的功率用PH表示，則RθjC的計(jì)算式為

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 散熱通孔直徑對(duì)RθjC 的影響

在通孔中心距為3 倍通孔直徑的約束條件下，改變通孔的直徑，分別采用直徑為0.20 mm、0.15 mm 和0.10 mm 的散熱通孔并進(jìn)行矩形陣列布局，根據(jù)通孔直徑的不同將上述方案分別作為設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)3 和設(shè)計(jì)4，并按照表1 設(shè)置的仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真。對(duì)無散熱通孔的設(shè)計(jì)1 也采用相同的仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真。圖3 為設(shè)計(jì)1、2、3、4 的仿真溫度云圖。

圖3 設(shè)計(jì)1、2、3、4 的仿真溫度云圖

對(duì)設(shè)計(jì)1、2、3、4 的芯片結(jié)到外殼的熱阻進(jìn)行計(jì)算，RθjC分 別為14.06 ℃/W、2.36 ℃/W、2.24 ℃/W 和2.16 ℃/W。

從圖3 可以看出，在LTCC 外殼底部設(shè)計(jì)銀散熱通孔可以明顯降低芯片結(jié)溫，減小芯片結(jié)到外殼的熱阻。在通孔中心距為3 倍通孔直徑的約束條件下，通孔直徑越小，散熱通孔數(shù)量越多，芯片結(jié)到外殼的熱阻越小。

3.2 散熱通孔布局對(duì)RθjC 的影響

直徑為0.1 mm 的通孔制作工藝難度較大，成品率較低，成本較高，因此將通孔直徑設(shè)定為0.15 mm。在通孔中心距為2 倍通孔直徑的約束條件下，設(shè)計(jì)中心距為0.30 mm、布局為矩形陣列的散熱通孔，將該方案作為設(shè)計(jì)5；設(shè)計(jì)中心距為0.30 mm、布局為等邊三角形陣列的散熱通孔，將該方案作為設(shè)計(jì)6。按照表1設(shè)置的仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真，圖4 為設(shè)計(jì)5、6 的仿真溫度云圖。

圖4 設(shè)計(jì)5、6 的仿真溫度云圖

對(duì)設(shè)計(jì)5 和設(shè)計(jì)6 的芯片結(jié)到外殼的熱阻進(jìn)行計(jì)算，RθjC分別為1.16 ℃/W、1.04 ℃/W。

對(duì)比設(shè)計(jì)5、設(shè)計(jì)6 和設(shè)計(jì)3 的仿真結(jié)果，可以看出，直徑同樣是0.15 mm，采用矩形陣列布局的散熱通孔的通孔中心距越小，散熱通孔數(shù)量越多，芯片結(jié)到外殼的熱阻越小。在通孔直徑、通孔中心距相同的前提下，采用等邊三角形陣列布局的通孔數(shù)量比采用矩形陣列布局的通孔數(shù)量更多，芯片結(jié)到外殼的熱阻更小。

3.3 接地金屬層對(duì)RθjC 的影響

在通孔直徑為0.15 mm、通孔中心距為0.30 mm、采用等邊三角形陣列布局的約束條件下，在外殼底部尺寸為3.00 mm×3.60 mm×0.80 mm 的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)增加3 層尺寸為3.00 mm×3.60 mm×0.01 mm 的接地銀金屬層，層間距為0.20 mm，即接地金屬層由設(shè)計(jì)6 的2 層增加至5 層，將該方案作為設(shè)計(jì)7；增加7 層接地金屬層，層間距為0.10 mm，將接地金屬層由設(shè)計(jì)6 的2 層增加至9層，將該方案作為設(shè)計(jì)8。按照表1 設(shè)置的仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真，圖5 為設(shè)計(jì)7、8 的仿真溫度云圖。

圖5 設(shè)計(jì)7、8 的仿真溫度云圖

對(duì)設(shè)計(jì)7 和設(shè)計(jì)8 的芯片結(jié)到外殼的熱阻進(jìn)行計(jì)算，RθjC分別為1.02 ℃/W、1.00 ℃/W。

對(duì)比設(shè)計(jì)7、設(shè)計(jì)8 和設(shè)計(jì)6 的仿真結(jié)果，可以看出，在通孔直徑和通孔中心距相同、采用等邊三角形陣列布局的前提下，接地金屬層越多，芯片結(jié)到外殼的熱阻越小。

3.4 通孔及陶瓷材料對(duì)RθjC 的影響

在通孔直徑為0.15 mm、通孔中心距為0.30 mm、采用等邊三角形陣列通孔布局、接地金屬層數(shù)為9 的約束條件下，采用相同的外殼結(jié)構(gòu)和布線設(shè)計(jì)，選擇鎢作為通孔材料，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的氧化鋁作為陶瓷材料，將該方案作為設(shè)計(jì)9；在約束條件和設(shè)計(jì)不變的前提下，選擇鎢作為通孔材料，選擇氮化鋁作為陶瓷材料，將該方案作為設(shè)計(jì)10。按照表1 設(shè)置的仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真，圖6 為設(shè)計(jì)9、10 的仿真溫度云圖。

圖6 設(shè)計(jì)9、10 的仿真溫度云圖

對(duì)設(shè)計(jì)9 和設(shè)計(jì)10 的芯片結(jié)到外殼的熱阻進(jìn)行計(jì)算，RθjC分別為1.33 ℃/W、0.49 ℃/W。

對(duì)比設(shè)計(jì)9、設(shè)計(jì)10 和設(shè)計(jì)8 的仿真結(jié)果，可以看出，在外殼結(jié)構(gòu)、布線、散熱通孔布局和接地金屬層數(shù)相同的前提下，采用銀通孔和LTCC 外殼，其散熱效果優(yōu)于采用鎢通孔和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的氧化鋁外殼，但是略差于采用鎢通孔和氮化鋁外殼。

分析其原因，在熱導(dǎo)率較低的LTCC（3.5W·m-1·K-1）中以埋燒方式摻入了一定比例的高熱導(dǎo)率材料金屬銀（420 W·m-1·K-1），形成了一種新的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。該材料的性能與原來的LTCC 材料相比有較大改變，其熱導(dǎo)率比由鎢和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的氧化鋁形成的復(fù)合材料高，但是比由鎢和氮化鋁形成的復(fù)合材料低。

4 結(jié)論

使用有限元分析軟件對(duì)LTCC 封裝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真，并通過對(duì)比芯片結(jié)到外殼的熱阻仿真結(jié)果，得到LTCC 封裝散熱通孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在本文的實(shí)例中，散熱通孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)為：通孔直徑為0.15 mm，通孔中心距為0.30 mm，采用等邊三角形陣列通孔布局，設(shè)計(jì)接地金屬層數(shù)為9。采用該設(shè)計(jì)的銀通孔和LTCC 外殼的熱阻仿真結(jié)果僅為1.00 ℃/W，小于采用相同設(shè)計(jì)的鎢通孔和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的氧化鋁外殼的熱阻仿真結(jié)果，但是大于采用相同設(shè)計(jì)的鎢通孔和氮化鋁外殼的熱阻仿真結(jié)果。

在LTCC 封裝外殼中，增加金屬散熱通孔和接地金屬層的數(shù)量，可以減小芯片結(jié)到外殼的熱阻，增強(qiáng)外殼的散熱效果。這說明在熱導(dǎo)率較低的陶瓷材料中摻入的高熱導(dǎo)率金屬材料比例越高，則形成的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的熱導(dǎo)率越高，采用該復(fù)合材料制作的封裝外殼散熱效果越好。

該研究不僅適用于LTCC 封裝設(shè)計(jì)，還可推廣應(yīng)用于氧化鋁、氮化鋁等其他陶瓷封裝的設(shè)計(jì)。