基于Icepak的功率混合集成電路熱設計分析

馮雯雯　呂果　楊松　韓闖　馬朝驥

摘 要 本文基于 ANSYS Icepak 軟件，對影響功率集成電路熱性能的功能模塊布局方式以及外殼、基板、布線、焊接材料等設計因素進行初步研究，為功率集成電路的熱設計分析提供了建議和依據。

關鍵詞 ANSYS Icepak;熱設計;功率集成電路

中圖分類號： TM464文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.014

0 引言

混合集成電路具有組裝密度大、可靠性高、電性能好的優點，并且能夠承受較高的電壓和較大的功率[1]。通常將功率密度達到1W/in2以上（或輸出功率大于5W）的混合集成電路，稱為功率混合集成電路。由于功率混合集成電路具有高功率、大功耗的特點，需要專門的設計和制造技術來提高散熱能力、控制內部溫度，以滿足技術性能及可靠性要求[2]。本文采用基于有限元分析方法的ANSYS Icepak熱分析模擬軟件對功率混合集成電路進行熱設計分析。

1 典型工藝結構及熱傳導模型

1.1 典型工藝結構

以某功率驅動器為例，其工藝結構如圖1所示，功率部分的剖面圖見圖2。

1.2 熱傳導的數學模型

熱量傳輸有輻射、對流和傳導三種基本方式，其中熱傳導是指同一介質或不同介質間，由于溫差產生的傳熱現象，其表達式為。

由上述公式可看出，導熱系數和導熱方向的截面積對熱傳導的散熱量影響較大。若要增強散熱，可增大導熱系數，選擇導熱系數較高的材料，或增加截面積等。

1.3 ANSYS Icepak軟件模型建立

ANSYS Icepak軟件建模有兩種方式，直接法和導入法。由于混合集成電路結構較簡單，因此采用直接法進行建模。

首先對模型進一步簡化，略去對散熱影響較小的法蘭盤和非功率器件。基于圖1所示工藝結構，在Icepak建模界面模型。并針對模型均為ANSYS Icepak原始幾何體的特點，采用非結構化方式進行網格劃分。模型及網格劃分如圖3所示

選擇模型，點擊【Edit】，在【Properties】界面，添加材料屬性，并按照表1參數設置元器件功耗值。

由于該功率集成電路模擬溫度條件為固定殼溫125℃，因此只考慮熱傳導和熱輻射兩種散熱方式。在【Basic settings】求解基本設置面板中，僅選擇【Temperature】，打開輻射換熱開關，并設置默認溫度為125℃。

2 功率混合集成電路熱分析

2.1 元器件布局對電路熱設計的影響

單板設計多應用于中低功率電路，其功率部分對電路其他單元影響很小時，可將功率部分和信號處理部分設計在同一基板上，其優點是可以設計降低電路結構復雜性，簡化工藝流程。分立設計是指將功率部分和信號處理部分布置在不同基板上，進行獨立的設計和工藝加工制作[2]。高功率和中高功率電路的功率部分若使用單板設計（圖4），對電路其他單元影響較大，因此需要將功率部分和信號處理部分設計在不同基板上（圖5），能通過獨立設計減小功率部分對其他部分的熱影響[5]。并且功率部分采用價格較高的高熱導率基板（AlN、BeO等），信號處理單元采用價格較低的常規基板（如Al2O3），在一定程度上降低了基板制作成本。

2.2 基體材料對電路熱設計的影響

2.2.1 底板材料

基于混合集成電路陶瓷類基板與金屬材料的匹配性考慮，常用的外殼材料包括10#鋼冷軋鋼。在散熱要求極高的情況下，可考慮底板部分使用鉬銅、鎢銅、紫銅等成本較高的銅基材料。

各種材料的熱傳導率及使用該種材料時器件表面最高溫度見下表。

2.2.2 基板材料

混合集成電路通常采用陶瓷基板，常規基板以96%Al2O3三氧化二鋁基板為代表，高導熱基板常用99%BeO氧化鈹、AlN氮化鋁等材料。此外，與BeO氧化鈹相比，AlN氮化鋁基板的一個重要特性是氮化鋁材料的熱膨脹系數為4.45×10-6/℃，與熱膨脹系數為4.5×10-6/℃的Si十分接近，適合于功率IC芯片的高可靠組裝[6]。因此，當前AlN氮化鋁基板在功率電路中的使用則越來越廣泛。Al2O3陶瓷熱導率雖低，但有最多的厚膜漿料與之配套，對于功率不大的中低功率電路，可優先選用Al2O3陶瓷。

三種基板的熱導率、適用功率密度、安全性及使用該種材料時器件表面最高溫度見下表。

2.2.3 布線方式

陶瓷基板常用布線方式有兩種，一為厚薄膜布線，二為直接覆銅。96%Al2O3、BeO、AlN三種基板材料均可以采用這兩種方式布線。厚薄膜工藝是陶瓷基板的主要布線方式。厚薄膜布線方式的優點是工藝成熟、布線性能良好、工藝穩定可靠。DBC布線是將銅箔直接附著在Al2O3、BeO和AlN基板表面，銅箔厚度通常為0.1mm～0.3mm，為厚膜布線導體厚度的數十倍，可承受更大電流，在對電流強度有特殊要求的情況下具有顯著優勢。但同樣由于厚度原因，DBC銅箔布線對導熱有一定影響。各種材料的厚度、熱傳導率及使用該種材料時器件表面最高溫度見表4。

3 結論

由上文的討論結果可見，材料導熱系數熱導率和垂直于導熱方向的橫截面積對熱性能的影響最大。但同時應考慮工藝可靠性、各種裝配材料間的熱膨脹率匹配程度、加工安全性以及成本等問題。在條件允許的情況下，選擇導熱系數較大的材料，可改善電路散熱，降低元器件溫度，保證在使用過程中元器件結溫不超過額定值，進一步提高電路可靠性。對于文中實例電路而言，采用銅基底板材料可較大程度降低器件表面溫度，但結合成本及加工工藝成熟度等原因，最終選擇10#鋼外殼。厚膜BeO基板的散熱情況較好，但由于BeO氧化鈹本身材料具有毒性，且基板附著力較差，電流承受能力更強的AlN-DBC基板為更優選擇。

本文運用 ANSYS Icepak 軟件，結合設計實例，對功率集成電路進行了較全面的熱模擬和分析，初步研究了外殼、基板、布線材料、焊接材料以及布局設計等因素對功率集成電路熱性能的影響，為功率集成電路的熱設計分析提供了研究依據。

參考文獻

[1]王瑞庭，朱征，等譯.Tapan K. Gupta. Handbook of Thick and Thin-Film Hybrid Microelectronics.厚薄膜混合微電子學手冊[M].北京：電子工業出版社，2005：10-16.

[2]夏俊生，周曦.功率HIC基板及其工藝布局設計研究[J].電子與封裝，2011，11（10）：10-14+17.

[3]王永康.ANSYS Icepak電子散熱基礎教程[M].國防工業出版社，2015：37-39;207-215.

[4]馬靜.基于ANSYS的板級電路熱分析及布局優化設計[J].電子器件，2013，36（6）：802-805.

[5]張艷.厚膜DC/DC電源的散熱優化設計[J].電源技術應用，2013 （3）：2+9.