基于新工藝技術(shù)的高功率裸芯片模塊微流體系統(tǒng)的散熱技術(shù)

來源/作者：李麗丹 錢自富 張慶軍 劉壓軍 李治 李鵬

轉(zhuǎn)自：熱管理技術(shù)

摘要：為解決高功率裸芯片的散熱問題,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)熱阻降至傳統(tǒng)工藝熱阻的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320W/cm²時(shí)的裸芯片散熱問題。

關(guān)鍵詞：散熱 微流道 共晶焊 金剛石

隨著電子設(shè)備小型化和高性能的發(fā)展趨勢,芯片集成度要求越來越高,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(meantimebetweenfailures,MTBF)急劇下降,其失效概率呈指數(shù)增長趨勢。因此如何提升芯片散熱能力是學(xué)者們研究的重點(diǎn)問題。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)能夠提供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。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)790W/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題,為電子芯片的散熱提供新思路。在此之后,國內(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)通過換熱器與外界進(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,通過管路中的散熱介質(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。

1.2 裸芯片低熱阻傳熱設(shè)計(jì)

熱傳導(dǎo)過程如下:

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;ΔT為兩接觸面的溫差,℃;Q為傳導(dǎo)過程的總熱量,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程中的熱阻和傳遞的總熱量有關(guān),而傳遞過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,鎢銅墊片再通過導(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,引入導(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。

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。

本項(xiàng)目采用Au80Sn20合金共晶的方式(熔點(diǎn)為280℃)將祼芯片共晶焊接在熱沉上,然后將焊接后的組件通過Sn63Pb37共晶的方式焊接在微通道腔體上,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,需搭建測試系統(tǒng),測試了環(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AlSi42,導(dǎo)熱系數(shù)為140W/(m·K),具有加工性能好、成本低等優(yōu)勢。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0.8mm,高度為1mm,當(dāng)量直徑為0.89mm,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。

2)裸芯片選用功率放大器芯片NC11613C-1618P30,該芯片是中國電子科技集團(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^高造成芯片被燒毀,芯片尺寸為3.6mm×3.5mm×0.1mm(長×寬×高),當(dāng)漏壓設(shè)置為28V、柵壓設(shè)置為最大-2V、靜態(tài)電流為2.5A、最大靜態(tài)功率為70W時(shí),芯片表面積為3.15px²、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200μm,導(dǎo)熱系數(shù)為800W/(m·K)。

4)換熱器選用40mm×40mm(長×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×40mm(長×寬×高)。

5)壓電微泵流量約為350mL/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型熱電偶測試器件表面溫度,測試精度為±0.1℃,OMEGA溫度數(shù)據(jù)采集儀采集及處理熱電偶測試數(shù)據(jù)。

根據(jù)GJB150.3A—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)測試系統(tǒng)放置在70℃的高溫箱內(nèi),測試平臺(tái)如圖6所示。

實(shí)際測試過程中因芯片面積較小,且芯片上分布?jí)狐c(diǎn),熱電偶傳感器無法粘貼在芯片上進(jìn)行測量,而紅外測量又無法滿足測量精度,因此測量時(shí)選取芯片旁邊印制板上一點(diǎn)作為測量點(diǎn),要求此點(diǎn)在不影響鍵合金線的前提下盡量靠近芯片,測量點(diǎn)位置如圖7所示。為了獲得芯片最高溫度,對(duì)微流體散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過仿真得到的監(jiān)測點(diǎn)和芯片的溫度差來近似代替實(shí)驗(yàn)測試的監(jiān)測點(diǎn)和芯片的溫度差,再加上實(shí)驗(yàn)獲得的監(jiān)測點(diǎn)的溫度獲得芯片最高溫度。

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/ cm ² 下 的溫度測試

實(shí)驗(yàn)過程中,設(shè)置熱流密度為80W/cm²(裸芯片功率為10W),在不開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)測點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開啟液冷泵,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)測點(diǎn)溫度的變化。由圖8可知,高溫箱溫度為70℃且不開液冷泵時(shí),裸芯片以10W的功率持續(xù)工作,監(jiān)測點(diǎn)溫度由70℃不斷升高,在約755s時(shí)監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到平衡約為97.8℃。此后開啟液冷泵對(duì)裸芯片進(jìn)行循環(huán)冷卻散熱,監(jiān)測點(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。

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)測點(diǎn)的溫度變化。圖9(a)所示為熱流密度為160W/cm²(裸芯片功率為20W)、320W/cm2(裸芯片功率為40W)時(shí),交聯(lián)流道與平直流道散熱器監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化;9(b)所示為熱流密度為240W/cm²(裸芯片功率為30W)、360W/cm²(裸芯片功率為45W)時(shí),交聯(lián)流道與平直流道散熱器監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。由圖9可知,熱流密度為360W/cm²時(shí),交聯(lián)流道和平直流道散熱器監(jiān)測點(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)測點(diǎn)溫度偏高;在熱流密度較高為320、360W/cm²時(shí),交聯(lián)流道與平直流道監(jiān)測點(diǎn)溫度的溫差比熱流密度為160、240W/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發(fā)展,產(chǎn)生連續(xù)的入口發(fā)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。

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、360W/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80W/cm²時(shí)系統(tǒng)的散熱仿真進(jìn)行分析。熱流密度為80W/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)在裸芯片正隨著熱流密度的增加,實(shí)驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)溫度和仿真監(jiān)測點(diǎn)溫度也隨之增加;同時(shí),仿真監(jiān)測溫度與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測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)測點(diǎn)的偏差均在8%以內(nèi),仿真結(jié)果可靠。在熱流密度為360W/cm²時(shí),芯片達(dá)到最高溫度144℃;當(dāng)熱流密度為320W/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140℃,即在熱流密度為360W/cm²時(shí),芯片最高溫度超過了Ⅱ級(jí)降額最高溫度,新工藝下的微流體散熱系統(tǒng)已無法解決。此微流體散熱系統(tǒng)可解決320W/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80W/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80~360W/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。通過實(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320W/cm²熱流密度的裸芯片散熱,具備較強(qiáng)的散熱能力。

來源/作者：李麗丹 錢自富 張慶軍 劉壓軍 李治 李鵬

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