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摘要：針對 Ｔ／Ｒ組件典型封裝結(jié)構(gòu)，分析了冷板構(gòu)型和殼體厚度等參數(shù)對組件熱性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)殼體厚度大于１．５ｍｍ 時，當(dāng)殼體熱阻成為影響散熱的主要因素，且通過加入高導(dǎo)熱材料可以有效提升芯片和組件的散熱能力。

關(guān)鍵詞：熱阻、散熱 Ｔ／Ｒ組件

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(diǎn)，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(diǎn)，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)、微細(xì)結(jié)構(gòu)冷板、沖擊射流和高效熱擴(kuò)展材料等某一方面，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(shí)現(xiàn)方式，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(kuò)展材料對散熱特性的響，并結(jié)合工程實(shí)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(jì)。

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(kuò)展熱阻Rsp 。因此有

３ 熱分析模型

根據(jù)圖１所示模型特點(diǎn)，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進(jìn)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(jì)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。

表２ 冷板內(nèi)翅片形式

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1.0Ｌ／ｍｉｎ。

計(jì)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(kuò)散，因?yàn)闊崃咳绻贿M(jìn)行一維熱傳導(dǎo)，那么其溫度梯度應(yīng)該保持不變。

圖２ 芯片正中心下方的溫度分布及溫度梯度分布

表３給出了ｈ＝2.15ｍｍ，λ＝120Ｗ·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(jìn)，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(xiàn)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。

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＝2.15ｍｍ，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＝120Ｗ·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＜1.0ｍｍ 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1.0～1.5ｍｍ時， 熱阻有較大的階躍變化；當(dāng) Ｔ／Ｒ 組件殼體厚度ｈ＞1.5ｍｍ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＞1.5ｍｍ 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(kuò)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1.5ｍｍ 時，隨著厚度ｈ的增加，擴(kuò)展熱阻有明顯增大，擴(kuò)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(kuò)展散熱能力卻隨著厚度的增加而逐漸增強(qiáng)，熱量向冷端傳遞的同時，也向周邊擴(kuò)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＞1.5ｍｍ 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。

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

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～ ２．５ｍｍ 之間，若厚度ｈ＜１．５ｍｍ，芯片傳熱路徑熱阻Ｒｔｏｔ迅速增加，若厚度ｈ＞ ２．５ｍｍ，靠增加厚度降低芯片傳熱路徑熱阻Ｒｔｏｔ效費(fèi)比較低。當(dāng) Ｔ／Ｒ殼體厚度ｈ＞１．５ｍｍ 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＞４００Ｗ／（ｍ·Ｋ），ｈ＞２ｍｍ 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。

4.4 局部嵌入熱擴(kuò)展材料對散熱的影響

在實(shí)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1.5～2.5ｍｍ 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(shí)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200Ｗ／（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(shí)現(xiàn)高功率 ＧａＮ 芯片低傳熱路徑熱阻設(shè)計(jì)。

針對2.5ｍｍ×3.8ｍｍ 的 ＧａＮ 芯 片，假設(shè)局部嵌入高導(dǎo)熱熱擴(kuò)展材料尺寸為2.5ｘｍｍ × 3.8ｘｍｍ，其中，ｘ為系數(shù)?？紤]實(shí)際工況，熱擴(kuò)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(kuò)展材料時，芯片殼溫變化如圖１０所示。

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(shí)施方案，在保證技術(shù)實(shí)施的前提下，拓展了器件散熱能力。

圖１０ 芯片殼溫隨嵌入材料大小的變化關(guān)系

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(kuò)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。

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