封装壳体对高功率器件散热特性影响研究

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摘要：针对 Ｔ／Ｒ组件典型封装结构，分析了冷板构型和壳体厚度等参数对组件热性能的影响。结果表明，当壳体厚度大于１．５ｍｍ 时，当壳体热阻成为影响散热的主要因素，且通过加入高导热材料可以有效提升芯片和组件的散热能力。

关键词：热阻、散热 Ｔ／Ｒ组件

０ 引 言

随着电子、微电子技术的发展军用雷达器件朝着高功率、高密度封装的方向发展，微波功率放大芯片已从硅芯片、ＧａＡｓ芯片发展到了 ＧａＮ 芯片。 ＧａＮ 芯片具有禁带宽度大、输出功率大、耐高温等优点，已广泛应用于雷达等电子装备。 虽然 ＧａＮ 芯片具有上述优点，但随着芯片尺寸越来越小，热耗却越来越大，对冷却技术的研究越来越高。 以往关于高功率器件冷却方式的研究主要集中在单相／两相冷却介质、微细结构冷板、冲击射流和高效热扩展材料等某一方面，对器件散热 具有非常大的优势，但考虑到军用雷达电子装备特 殊使用环境以及雷达冷却系统集成与工艺实现方式，上述单一冷却手段对解决 ＧａＮ 高功率芯片散热的系统问题可能还存在一定的差异。

因此，本文主要针对 ＧａＮ 裸芯片封装结构形式，从工程角度出发，研究不同 Ｔ／Ｒ封装壳体材料、 厚度、局部嵌入热扩展材料对散热特性的响，并结合工程实际给出相关参数的工程最优值，以便指导高功率、高热流密度 Ｔ／Ｒ组件冷却设计。

１ ＧａＮ 芯片散热构型

对 ＧａＮ 裸芯片，其典型散热构型如图１所 示。 ＧａＮ 芯片一般先通过金锡焊料焊接在芯片衬底（如钼铜衬底，Ｍｏ８０Ｃｕ２０）上，芯片衬底通过锡铅焊料焊接在 Ｔ／Ｒ 组件壳体上，Ｔ／Ｒ 组件壳体通过螺接压紧在冷板上，并在其接触面上均匀涂敷导热硅脂以降低界面接触热阻，冷板通过65号乙二醇冷却液带走组件热量。

图１ ＧａＮ 裸芯片散热模型

２ 热阻定义

芯片传热过程中的传热热阻定义为

ｉ为芯片传热路径中的各层。当ｉ为芯片时，Ｒ芯片－流体 即为该传热构型下的总热阻；若ｉ为Ｔ／Ｒ组件壳体，ＲＴ／Ｒ－流体 表示热耗为Ｑ 的热源施加到 Ｔ／Ｒ 组件壳体及以下部分区域的最大传热热阻。

那么，各层的热阻定义为Ｒｉ ＝Ｒｉ－流 体 －Ｒ（ｉ－１）－流体 。由于芯片到冷板的传热面积是不断变化的，使得各接触面上存在温度梯度，临近热源的区域出现更高的局部温度，因此，总的传热热阻不仅包含一维传导热阻Rcond，还包含由于界面变化、界面温度梯度而产生的扩展热阻Rsp 。因此有

３ 热分析模型

根据图１所示模型特点，在保证仿真结果不失真的前提下，对仿真模型进行部分简化，忽略了组件与周围空气的对流散热及辐射散热因素，冷却流道拐角处按90°直角处理，不考虑流道粗糙度；模型计算参数如表１所示。

表１ ＧａＮ 芯片冷却模型

ｈ 为 T/R 组件壳体厚度；λ 为材料导热系数。 冷板考虑３种常用规格翅片，如表２所示。

表２ 冷板内翅片形式

冷板采用铝合金5A06材料，上下水道壁厚2.0ｍｍ，冷却液为65号军用航空冷却液，供液温度为 40 ℃，为忽略冷却液供液参数对散热的影响，供液流量均设为1.0Ｌ／ｍｉｎ。

计算中，将芯片热流密度设定为300 Ｗ／ｃｍ２。

４ 结果分析

4.1 传热路径热阻特性

图２给出了芯片正中心下方的温度分布和温度梯度分布。由图２可知，在热界面层附近，出现非常大的温度梯度变化，这是由于界面处温度连续，材料导热系数的巨大差异所致；在 T/R 组件壳体层内，随着传热距离的增加，T/R组件壳体内温度梯度逐渐减小，表明热量不仅向冷端传递，也向周边扩散，因为热量如果只进行一维热传导，那么其温度梯度应该保持不变。

图２ 芯片正中心下方的温度分布及温度梯度分布

表３给出了ｈ＝2.15ｍｍ，λ＝120Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１， 冷板翅片为构型２时，芯片传热路径热阻值大小及 其所占总热阻的比例。由表３可知，芯片传热过程 中，热阻碍的关键环节为T/R 组件壳体和热界面层，其热阻比例约占总热阻的70％，冷板热阻约占总热阻的11.4％，金锡焊层、芯片衬底和锡铅焊层三层热阻约占总热阻18％。然而，除非封装封装构型或生产工艺改进，金锡焊层、锡铅焊层不可 能省去，要降低该部分的传热热阻，只能通过微组装工艺控制，控制焊层厚度、焊透率等，但对改善热阻的贡献较低。因此，要降低芯片传热热阻，那么首先应考虑降低 T/R 组件壳体热阻和热界面层热阻。

表３ 芯片传热路径中的热阻特性

4.2 冷板构型对散热的影响

图３给出了ｈ＝2.15ｍｍ，不同冷板构型条件 下，芯片壳温随 T/R 壳体材料导热系数的变化规律，由图可知，在常用冷板翅片规格的条件下，冷板构型对散热影响较小。

图３ 不同冷板构型下芯片壳温随λ的变化规律

4.3  Ｔ／Ｒ壳体对散热的影响

图４给出了λ＝120Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１，冷板翅片为构型２，芯 片 传 热 总 热 阻 （Ｒｔｏｔ）、Ｔ／Ｒ壳 体 热 阻 （ＲＴ／Ｒ）和界面接触热阻（ＲＴＩＭ ）随Ｔ／Ｒ 壳体厚度变化规律。由图４可知，随着 Ｔ／Ｒ 壳 体厚度的增加， 总热阻Ｒｔｏｔ逐渐减小。当Ｔ／Ｒ组件壳体厚度ｈ＜1.0ｍｍ 时，界面接触热阻 ＲＴＩＭ 远大于Ｔ／Ｒ壳体热阻 ＲＴ／Ｒ，此时，热界面层是整个传热过程中热阻碍的关键环节；当 Ｔ／Ｒ组件壳体厚度介于1.0～1.5ｍｍ时， 热阻有较大的阶跃变化；当 Ｔ／Ｒ 组件壳体厚度ｈ＞1.5ｍｍ时，Ｔ／Ｒ 壳体厚度对热阻的变化影响较小。 图５给出了 Ｔ／Ｒ壳体热阻ＲＴ／Ｒ、界面接触热阻ＲＴＩＭ占总热阻的比例变化。由图５可知，当ｈ＞1.5ｍｍ 时，Ｔ／Ｒ 壳体热阻 ＲＴ／Ｒ约占总热阻的40％～60％， 而界面接触热阻 ＲＴＩＭ 占总热阻的比例却由约２５％ 逐渐降低到１０％左 右，表明此时 Ｔ／Ｒ 壳体热阻是整个传热过程中的关键环节。

图４ 热阻随ｈ变化关系

图５ 热阻比例随ｈ变化关系

图６给出了图４对应工况下，Ｔ／Ｒ 组件壳体热 阻ＲＴ／Ｒ，Ｔ／Ｒ扩展热阻 Ｒｓｐ与传导热阻（Ｒｃｏｎｄ）随厚度ｈ的变化关系。由图６可知，当 Ｔ／Ｒ 壳体厚度ｈ约大于1.5ｍｍ 时，随着厚度ｈ的增加，扩展热阻有明显增大，扩展热阻 Rsp 在 Ｔ／Ｒ 壳体传热过程中的逐渐起主导作用。此时，尽管ＲＴ／Ｒ随着 Ｔ／Ｒ壳体厚度的增加而增加，但扩展散热能力却随着厚度的增加而逐渐增强，热量向冷端传递的同时，也向周边扩散，使得热流密度向冷端传递过程中迅速衰减。 换句话说，随着厚度增加，增大了芯片传热过程中的散热通道，使得总热阻也快速减小。因此，当ｈ＞1.5ｍｍ 时，提高 Ｔ／Ｒ壳体材料导热系数，可推测将大幅降低芯片传热路径热阻。

图６ Ｔ／Ｒ组件壳体热阻随ｈ变化关系

图７～图９给出了冷板构型２条件下，芯片传热路径热阻 Ｒｔｏｔ、壳体热阻占总热阻的比例 ＲＴ／Ｒ／ Ｒｔｏｔ和界面接触热阻占总热阻的比例ＲＴＩＭ／Ｒｔｏｔ随 Ｔ／ Ｒ壳体材料导热系数λ、壳体厚度ｈ的变化规律。

图７ Ｒｔｏｔ随λ及ｈ 变化关系

图８ ＲＴ／Ｒ／Ｒｔｏｔ随λ及ｈ 变化关系

图９ ＲＴＩＭ／Ｒｔｏｔ随λ及ｈ 变化关系

由图７～图９可知，在常用冷板构型条件下，Ｔ／ Ｒ壳体最优厚度为１．５～ ２．５ｍｍ 之间，若厚度ｈ＜１．５ｍｍ，芯片传热路径热阻Ｒｔｏｔ迅速增加，若厚度ｈ＞ ２．５ｍｍ，靠增加厚度降低芯片传热路径热阻Ｒｔｏｔ效费比较低。当 Ｔ／Ｒ壳体厚度ｈ＞１．５ｍｍ 时，Ｔ／Ｒ壳体材料导热系数对ＲＴＩＭ／Ｒｔｏｔ的影响较小，但对ＲＴ／Ｒ／Ｒｔｏｔ 影响较大。当λ＞４００Ｗ／（ｍ·Ｋ），ｈ＞２ｍｍ 时，Ｔ／Ｒ 壳体热阻与界面接触热阻占总热阻比例约小于 ５０％，此时冷板热阻、芯片焊接热阻对整个传热过程有较大影响，需协同考虑散热构型、封装工艺、散热路径优化才能解决高功率 ＧａＮ芯片散热问题。

4.4 局部嵌入热扩展材料对散热的影响

在实际工程应用中，Ｔ／Ｒ 壳体材料厚度受空间、重量、单元间距等因素的影响，厚度不可能无限制增加，同时，考虑到器件散热的影响，由3.3节分析可知，Ｔ／Ｒ组件壳体最优厚度介于1.5～2.5ｍｍ 之间。从散热的角度来说，希望 Ｔ／Ｒ壳体材料的导热系数无限大，但实际工程中，受 Ｔ／Ｒ 组件组装工艺、材料加工性能等因素的影响，目前 Ｔ／Ｒ 组 件壳体通常使用铝合金、铝硅、ＡｌＳｉＣｐ等材料，导热系数一般不大于200Ｗ／（ｍ·Ｋ），Ｔ／Ｒ 组件壳体热阻成为芯片散热过程热阻碍的关键环节。

为降低芯片传热过程中 Ｔ／Ｒ壳体热阻，采用在 Ｔ／Ｒ组件壳体材料中局部贯穿嵌入高导热材料，实现高功率 ＧａＮ 芯片低传热路径热阻设计。

针对2.5ｍｍ×3.8ｍｍ 的 ＧａＮ 芯 片，假设局部嵌入高导热热扩展材料尺寸为2.5ｘｍｍ × 3.8ｘｍｍ，其中，ｘ为系数。考虑实际工况，热扩展材料的 极限尺寸为芯片工作频段的半波长长度，因此，Ｓ波段及以上频段，系数ｘ 的取值范围一般介于［０，８］， 当ｘ＝０时，表示未嵌入高导热材料。当在铝硅壳体上，嵌入不同尺寸，不同材料导热系数热扩展材料时，芯片壳温变化如图１０所示。

由图１０ 可知，当嵌入材料导热系数大于 ３００ Ｗ／（ｍ·Ｋ），嵌入材料截面积大于４倍芯片面积时， 芯片壳温能有效降低１０℃。采用在 Ｔ／Ｒ组件壳体 局部区域嵌入高导热复合材料的方式，尽可能的兼容了现有的系统构架，冷却构架，工艺实施方案，在保证技术实施的前提下，拓展了器件散热能力。

图１０ 芯片壳温随嵌入材料大小的变化关系

５ 结束语

本文针对 ＧａＮ 裸芯片典型结构，从完整传热路 径角度入手，分析了 Ｔ／Ｒ 组件壳体材料导热系数、 厚度对芯片散热的影响规律，分析结果对指导 ＧａＮ 高热流密度芯片散热具有借鉴意义；采取局部嵌入高导热热扩展材料的方式，为解决 ＧａＮ 高热流密度芯片散热提供了一种新思路。

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