[技術(shù)前沿]高功率裸芯片模塊散熱技術(shù)
為解決高功率裸芯片的散熱問(wèn)題，本文在功率模塊腔體上設(shè)計(jì)了一種自循環(huán)一體化微流道散熱系統(tǒng)，并對(duì)有無(wú)微流道、平直流道以及交聯(lián)流道的散熱特性進(jìn)行對(duì)比。研究表明：有微流道的裸芯片散熱特性優(yōu)于無(wú)微流道，有交聯(lián)流道的裸芯片散熱特性優(yōu)于具有平直流道：將裸芯片共晶焊接到金剛石熱沉。再將熱沉共晶焊接到功率模塊腔體。裸芯片到功率模塊腔體之間的傳導(dǎo)熱陽(yáng)降至傳統(tǒng)工藝熱陽(yáng)的 1/360~1/280：仿真與實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛳嗷ヲ?yàn)證，最大偏差僅為7.16%。該微流道系統(tǒng)具有較強(qiáng)的散熱能力，可解決環(huán)境溫度為 70℃，熱流密度為 320 W/cm2時(shí)的裸芯片散熱問(wèn)題。
隨著電子設(shè)備小型化和高性能的開(kāi)展趨勢(shì)，芯片集成度要求越來(lái)越高.芯片在工作時(shí)的熱流密度也隨之不斷升高。功率芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)，設(shè)備長(zhǎng)期在高溫工況下工作，會(huì)直接影響器件的工作壽命，甚至直接失效。隨著溫度的升高，電子設(shè)備的可靠性和平均故障時(shí)間( mean time between fail，MTBF) 急劇下降，其失效概率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此如何提升芯片散熱能力是學(xué)者們研究的重點(diǎn)問(wèn)題。
芯片的散熱能力直接關(guān)系到系統(tǒng)性能，電子設(shè)備中常用的散熱方式如表 1 所示。相比傳統(tǒng)散熱技術(shù)，微流體散熱技術(shù)能夠給予更大的傳熱面積和更高的傳熱系數(shù).且易于集成在芯片模塊內(nèi)部.從而提高芯片散熱性能。
表 1 不同散熱方式對(duì)比
D.B.Tuckerman 等在 1981 年首次提出微通道散熱器的設(shè)計(jì)思路，研究設(shè)計(jì)了平行直流道的微通道散熱器.在芯片上可實(shí)現(xiàn) 790 W/cm2 的散熱量。表明微通道散熱器可解決高功率熱流密度器件的散熱問(wèn)題.為電子芯片的散熱給予新思路。在此之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微通道散熱進(jìn)行了更加全面、系統(tǒng)的研究，聚焦于微通道的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)等諸多方面，如多孔介質(zhì)、分形網(wǎng)絡(luò)等微流體散熱系統(tǒng)裝置。研究目的主要為兩方面：1)不斷提高系統(tǒng)的散熱能力；2)盡可能減小熱阻。使電子元器件的溫度始終在其運(yùn)行工作范圍內(nèi)，確保其工作的穩(wěn)定性和可靠性。
本文設(shè)計(jì)了一種自閉環(huán)一體化微流體散熱系統(tǒng)。一方面采用裸芯片共晶焊接到熱沉.熱沉共晶焊接到功率模塊腔體，有效降低裸芯片到功率模塊腔體的傳導(dǎo)熱阻：另一方面，采用一體化設(shè)計(jì)方式將微通道散熱器集成于功率模塊腔體內(nèi)部，并將微流道設(shè)計(jì)為交聯(lián)流道的形式.進(jìn)一步增加散熱能力。
1 原理分析
1.1 微系統(tǒng)的工作原理
微系統(tǒng)主要由循環(huán)泵、微通道散熱器、裸芯片、熱沉、換熱器、流體管路以及內(nèi)部工質(zhì)等組成。壓電微泵驅(qū)動(dòng)換熱介質(zhì)在管路中流動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)順利獲得換熱器與外界進(jìn)行熱交換。當(dāng)裸芯片工作時(shí)，微通道散熱器從裸芯片吸收熱量，順利獲得管路中的散熱介質(zhì)把熱量傳輸給換熱器，最終將熱量散給外界環(huán)境。系統(tǒng)工作原理如圖 1 所示。
圖 1 高功率裸芯片模塊微流體散熱系統(tǒng)工作原理
1.2 裸芯片低熱阻傳熱設(shè)計(jì)
熱傳導(dǎo)過(guò)程如下
式中：R 為熱阻K/w；L 為材料的厚度，m；kc為接觸面等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；A 為接觸面積，m2；△T為兩接觸面的溫差，℃；Q 為傳導(dǎo)過(guò)程的總熱量，w。
由式(1)、式(2) 可知，接觸傳導(dǎo)產(chǎn)生的溫差主要與熱傳遞過(guò)程中的熱阻和傳遞的總熱量有關(guān)，而傳遞過(guò)程中的熱阻與材料的厚度以及導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，在相同傳導(dǎo)面積下，熱傳導(dǎo)路徑越短，材料導(dǎo)熱系數(shù)越高，熱傳導(dǎo)熱阻越低。裸芯片的傳統(tǒng)安裝方式如圖2 所示。裸芯片采用 AuSn 焊接在鎢銅墊片上，鎢銅墊片再順利獲得導(dǎo)電膠粘接在功率模塊腔體底部。功率裸芯片與散熱系統(tǒng)為接觸熱傳導(dǎo)散熱，由于路徑上熱阻相對(duì)較高.將產(chǎn)生較大溫差。為降低其傳導(dǎo)熱阻引人導(dǎo)熱系數(shù)更高的熱沉，將鎢銅墊片更換為金剛石鋁/金剛石銅，同時(shí)采用共晶焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠粘.將有效降低傳熱路徑上的熱阻實(shí)現(xiàn)傳熱路徑上的高效傳熱如圖 3 所示。
圖 2 高功率裸芯片模塊傳統(tǒng)安裝形式
圖 3 高功率裸芯片模塊新型安裝形式
相對(duì)于傳統(tǒng)的工藝方案，新工藝方案用金剛石代替鎢銅墊片，用共晶焊接代替導(dǎo)電膠，同時(shí)在功率模塊腔體中加入微流道散熱器。粘膠及共晶焊接、鎢銅墊片和金剛石的導(dǎo)熱性能參數(shù)如表 2 所示。由表 2可知，共晶焊接的熱阻是導(dǎo)電膠熱阻的 1/360~1/280。即當(dāng)傳統(tǒng)方案裸芯片熱沉兩端接觸面溫差為10℃時(shí).采用新方案的溫差僅為 0.025 ~0.033℃。焊接工藝技術(shù)的使用，將有效降低裸芯片到功率模塊腔體的接觸熱阻.有效提升裸芯片的散熱性能。同時(shí).新方案采用共晶焊接可提高裸芯片在功率模塊腔體上的可靠性。
表 2 導(dǎo)電膠與共晶焊性能對(duì)比
本項(xiàng)目采用 Au80Sn20 合金共晶的方式(熔點(diǎn)為280℃)將裸芯片共晶焊接在熱沉上.然后將焊接后的組件順利獲得 S63Pb37 共晶的方式煤接在微通道腔體上，并將芯片與熱沉焊接層的空洞率控制在 10%之內(nèi)以及熱沉與腔體焊接層的空洞率控制在 15%之內(nèi)，保證其熱阻較小。
2 實(shí)驗(yàn)裝置
為驗(yàn)證微流體散熱系統(tǒng)的實(shí)際散熱性能，需搭建測(cè)試系統(tǒng).測(cè)試了環(huán)境溫度為 70℃ 時(shí)微流體散熱系統(tǒng)的散熱能力，測(cè)試系統(tǒng)中采用的設(shè)備主要有：
1)功率模塊，實(shí)物如圖 4 所示，上層采用透明的玻璃蓋板，便于觀察裸芯片的工作情況。功率模塊腔體的材料選用為 AISi42，導(dǎo)熱系數(shù)為 140 W/(m·K)，具有加工性能好、成本低等優(yōu)勢(shì)。功率模塊腔體內(nèi)部微流道有兩種設(shè)計(jì)模式：模式一是在平直流道上進(jìn)行3 次打斷設(shè)計(jì)，為交錯(cuò)型流道，寬度設(shè)計(jì)為 0.8 mm高度為 1 mm，當(dāng)量直徑為 0.89 mm，如圖 5(a)所示；模式二為平直流道， 尺寸大小與模式一相同， 如圖 5(b)所示。
圖 4 功率模塊實(shí)物
(a)交聯(lián)流道
(b)平直流道
圖 5 功率模塊腔體內(nèi)部微流道設(shè)計(jì)
2) 裸芯片選用功率放大器芯片NC11613C -1618P30，該芯片是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 13 研究所制造，焊接溫度小于300 ℃ 時(shí)，可保證芯片的正常工作，不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高造成芯片被燒毀，芯片尺寸為 3.6mm×3.5mm×0.1mm(長(zhǎng)×寬×高)，當(dāng)漏壓設(shè)置為28 V、柵壓設(shè)置為最大-2V、靜態(tài)電流為2.5 A、最大靜態(tài)功率為70W時(shí)，芯片表面積為0.126cm 2、最大表面熱流密度可達(dá)555W/cm2、最大結(jié)溫為175 ℃ 。
3)實(shí)驗(yàn)用熱沉材料為金剛石鋁，厚度為 200 μm，導(dǎo)熱系數(shù)為 800 W/ (m·K)。
4)換熱器選用40mm×40 mm(長(zhǎng)×寬)風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷源，對(duì)系統(tǒng)中吸收裸芯片熱量升溫后的流體進(jìn)行散熱，換熱器尺寸為52mm×41mm×40 mm ( 長(zhǎng) ×寬×高)。
5)壓電微泵流量約為 350 mL / min，該微流泵需要可調(diào)頻、調(diào)壓的驅(qū)動(dòng)電源，以產(chǎn)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)位移。實(shí)驗(yàn)中使用的驅(qū)動(dòng)電源，具有電壓、頻率便捷可調(diào)的功能。
6)儲(chǔ)液器在系統(tǒng)中起到補(bǔ)償冷卻液損失和排空氣的作用。系統(tǒng)中使用的循環(huán)冷卻介質(zhì)為 AF65 航空冷卻液，該冷卻液具有顯著的低溫性能和防腐蝕性能，在航空、火箭、雷達(dá)電子設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域使用廣泛。
7)穩(wěn)壓直流電源為整個(gè)系統(tǒng)供電，K 型熱電偶測(cè)試器件表面溫度，測(cè)試精度為±0. 1 ℃ ，OMEGA 溫度數(shù)據(jù)采集儀采集及處理熱電偶測(cè)試數(shù)據(jù)。
根據(jù) GJB 150. 3A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》，軍用機(jī)載設(shè)備最嚴(yán)酷的使用環(huán)境溫度為 70 ℃ ，因此將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放置在 70 ℃的高溫箱內(nèi)，測(cè)試平臺(tái)如圖 6 所示。
圖 6 測(cè)試平臺(tái)
實(shí)際測(cè)試過(guò)程中因芯片面積較小.且芯片上分布?jí)狐c(diǎn)，熱電偶傳感器無(wú)法粘貼在芯片上進(jìn)行測(cè)量，而紅外測(cè)量又無(wú)法滿足測(cè)量精度，因此測(cè)量時(shí)選取芯片旁邊印制板上一點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，要求此點(diǎn)在不影響鍵合金線的前提下盡量靠近芯片，測(cè)量點(diǎn)位置如圖 7 所示。為了取得芯片最高溫度，對(duì)微流體散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真.順利獲得仿真得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和芯片的溫度差來(lái)近似代替實(shí)驗(yàn)測(cè)試的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和芯片的溫度差，再加上實(shí)驗(yàn)取得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度取得芯片最高溫度。
圖 7 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)
3 結(jié)果分析
3. 1 實(shí)驗(yàn)分析
3. 1. 1 交聯(lián)流道散熱器在熱流密度為 80 W/ cm2 下的溫度測(cè)試
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置熱流密度為 80 W/ cm2(裸芯片功率為 10 W)，在不開(kāi)液冷泵的條件下讓裸芯片在70 ℃的高溫箱中持續(xù)工作，記錄觀察點(diǎn)溫度，直至監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開(kāi)啟液冷泵，讓冷卻液循環(huán)整個(gè)系統(tǒng)，給腔體內(nèi)的裸芯片散熱。圖 8 所示為監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的變化。由圖 8 可知，高溫箱溫度為 70 ℃ 且不開(kāi)液冷泵時(shí)，裸芯片以 10 W 的功率持續(xù)工作，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度由 70 ℃ 不斷升高，在約 755 s 時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到平衡約為 97. 8 ℃ 。此后開(kāi)啟液冷泵對(duì)裸芯片進(jìn)行循環(huán)冷卻散熱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度迅速下降，穩(wěn)定后溫度為 71. 7 ℃ ，溫升僅為 1. 7 ℃ 。相比不進(jìn)行循環(huán)冷卻的狀態(tài)，裸芯片的溫度下降 26. 1 ℃ ，由此可知在新工藝狀態(tài)下的微流體系統(tǒng)具有較高的散熱能力。
圖 8 熱流密度為 80 W/ cm2 時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度
3. 1. 2 交聯(lián)流道與平直流道散熱器在多種熱流密度下的散熱分析
開(kāi)啟液冷泵，改變裸芯片上的熱流密度(裸芯片功率)，觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化。圖9(a)所示為熱流密度為 160 W/ cm2(裸芯片功率為20W)、320W/ cm2(裸芯片功率為 40 W)時(shí)，交聯(lián)流道與平直流道散熱器監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化；9(b) 所示為熱流密度為 240 W/ cm2(裸芯片功率為 30 W)、360 W/ cm2(裸芯片功率為 45 W)時(shí)，交聯(lián)流道與平直流道散熱器監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。由圖 9 可知，熱流密度為360 W/ cm2 時(shí)，交聯(lián)流道和平直流道散熱器監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度分別為 80. 5、83. 8 ℃ ，兩種微通道散熱器的最大溫升均在 15 ℃ 以內(nèi)，表明微通道散熱器具備良好的散熱能力。由圖 9 還可知，在相同時(shí)間、功率密度狀態(tài)時(shí)，功率模塊在平直流道下要比交聯(lián)流道下監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度偏高；在熱流密度較高為 320、360 W/ cm2時(shí)，交聯(lián)流道與平直流道監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的溫差比熱流密度為 160、240 W/ cm2 時(shí)更高。表明交聯(lián)流道散熱器的散熱能力高于平直流道，尤其在熱流密度較高的情況。這是由于交聯(lián)微通道是一種基于熱邊界層中斷理論設(shè)計(jì)的具有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的新型微通道結(jié)構(gòu)，針對(duì)傳統(tǒng)的平直微通道將部分流道進(jìn)行打斷，使工質(zhì)在流動(dòng)方向上的邊界層重新開(kāi)展，產(chǎn)生陸續(xù)在的入口開(kāi)展段熱流動(dòng)邊界層，代替平直微通道中的穩(wěn)定邊界層，從而提高散熱器的散熱性能。
本文后續(xù)實(shí)驗(yàn)和仿真設(shè)計(jì)均采用具有交聯(lián)流道散熱器的功率模塊。
圖 9 不同熱流密度狀態(tài)下溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化
3. 2 實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比分析
設(shè)置仿真環(huán)境溫度為 70 ℃ ，對(duì)熱流密度為 80、160、240、320、360 W/ cm2 時(shí)，整個(gè)微通道散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱仿真。選取熱流密度為 80 W/ cm2 時(shí)系統(tǒng)的散熱仿真進(jìn)行分析。熱流密度為 80 W/ cm2 時(shí)，系統(tǒng)的溫度分布云圖如圖 10 所示。由圖 10( a)可知，整個(gè)系統(tǒng)的最高溫度為 86. 9 ℃ ，最低溫度為 71. 2 ℃ ；由圖 10(b) ~圖 10(d)可知，功率模塊上最高溫度出現(xiàn)在中間芯片的發(fā)熱位置，裸芯片的最高溫度為86. 8 ℃ ；由圖 10(e)、10( f)可知，裸芯片上的最低溫度為 79. 8 ℃ ，整個(gè)系統(tǒng)的最高溫度出現(xiàn)在裸芯片正面中心處。將 5 種熱流密度下的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表 3 所示。由表 3 可知，
圖 10 熱流密度為 80 W/ cm2 時(shí)散熱系統(tǒng)的溫度云圖
表 3 不同熱流密度下實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比
隨著熱流密度的增加，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度也隨之增加；同時(shí)，仿真監(jiān)測(cè)溫度與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)溫度之間的誤差也增加，最低誤差為 2. 71%，最高誤差為 7. 16%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偏差均在8%以內(nèi)，仿真結(jié)果可靠。在熱流密度為 360 W/ cm2 時(shí)，芯片達(dá)到最高溫度 144 ℃；當(dāng)熱流密度為 320 W/ cm2時(shí)，芯片最高溫度為 136 ℃。根據(jù)GJB/ Z35—1993《元器件降額使用準(zhǔn)則》Ⅱ級(jí)降額要求，裸芯片的最高結(jié)溫為200℃ ，按照Ⅱ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)最高溫度應(yīng)不超過(guò)140℃，即在熱流密度為 360 W/ cm2 時(shí)，芯片最高溫度超過(guò)了Ⅱ級(jí)降額最高溫度，新工藝下的微流體散熱系統(tǒng)已無(wú)法解決。此微流體散熱系統(tǒng)可解決 320 W/ cm2 熱流密度的熱耗。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種自閉環(huán)一體化微流體散熱系統(tǒng)，并采用新工藝技術(shù)降低了熱量從裸芯片到功率模塊腔體的傳導(dǎo)熱阻。得到如下結(jié)論：
1)采用共晶焊接替代傳統(tǒng)的導(dǎo)電膠粘接模式，新工藝設(shè)計(jì)方法使得熱阻僅為傳統(tǒng)工 藝 熱 阻 的1 / 360~1 / 280。
2)熱流密度為 80 W/ cm2 時(shí)，具備循環(huán)冷卻微通道散熱器的裸芯片溫升，相比于傳統(tǒng)無(wú)微通道狀態(tài)，溫度降低 26. 1 ℃ 。
3) 利用芯片內(nèi)嵌微通道技術(shù)，將微通道散熱器集成于功率模塊內(nèi)部，設(shè)計(jì)了具有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)微通道和普通平直結(jié)構(gòu)的微通道。在多種熱流密度狀態(tài)下(熱流密度為 80~360 W/ cm2)，具備交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的微通道其散熱能力要比平直結(jié)構(gòu)更強(qiáng)。
4)環(huán)境溫度為 70℃ 時(shí)，多種熱流密度工況下仿真和實(shí)驗(yàn)的最大偏差在 8%以內(nèi)，表明仿真結(jié)果可靠。順利獲得實(shí)驗(yàn)和仿真分析可知，具備新工藝技術(shù)和微流道循環(huán)冷卻系統(tǒng)的高功率裸芯片可解決320 W/cm2 熱流密度的裸芯片散熱，具備較強(qiáng)的散熱能力。
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