硅基微流道高效散熱技術(shù)在寬帶微波收發(fā)組件中的應用

向偉瑋，張 劍，盧 茜，李陽陽，董 樂

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

隨著雷達、通信和電子信息控制等電子裝備朝著作用距離更遠、體積更小的方向持續(xù)發(fā)展，其微波前端、脈沖功率源等核心部件的輸出功率迅速增大、集成度顯著提升，功率芯片的發(fā)熱量急劇增大。如果散熱能力不足，會導致芯片溫度上升，從而導致電子裝備的性能下降，壽命縮短。普通的被動散熱技術(shù)和傳統(tǒng)的主動液冷散熱技術(shù)都無法滿足大功率芯片的散熱需求。需要采用微流道高效散熱技術(shù)，利用微流體的增強散熱效應實現(xiàn)高效散熱[1-4]。

微流體的散熱能力與流道的當量尺寸成反相關(guān)：微流道的當量尺寸越小，流體的微尺度換熱效應越強。研究表明，為了實現(xiàn)數(shù)百瓦每平方厘米甚至千瓦每平方厘米的高效散熱能力，需要微流道的流道寬度在數(shù)十微米量級，流道的深寬比需超過5∶1[5]。普通的加工工藝難以滿足要求，基于深硅干法刻蝕工藝制備的硅基微流道散熱器成為了高效散熱的最佳選擇之一。

國外Tuckman和Pease最早提出使用硅基微流道散熱器實現(xiàn)電子器件的冷卻；IBM、Cooligy公司和DARPA也在開展硅基微流道散熱技術(shù)的研究[2]。國內(nèi)北京工業(yè)大學夏國棟教授團隊研制的硅基微流道散熱器散熱能力達到300 W/cm2；上海交通大學王艷等研究團隊也開展了硅基微流道散熱器的相關(guān)研究。

然而，硅作為半導體材料，將其取代金屬熱沉應用于微波組件時，其寄生效應會影響微波功率芯片接地，進而影響微波芯片的性能，甚至導致微波芯片出現(xiàn)自激或燒毀現(xiàn)象。如何對硅基微流道散熱器進行處理，使其滿足微波芯片的應用需求，是硅基微流道高效散熱技術(shù)在寬帶微波領(lǐng)域應用的關(guān)鍵問題。目前，相關(guān)的報道還比較少。

本文主要介紹了硅基微流道散熱器并表征其散熱能力，在此基礎上通過對硅基微流道散熱器進行仿真，確定了合適的散熱器表面處理方式，使其滿足射頻器件可靠接地的應用要求；并將硅基微流道散熱器集成在2~6 GHz寬帶大功率收發(fā)組件（TR組件）中，測試其飽和輸出功率。

2 微流道散熱器及其散熱性能分析

本文使用圖1所示的微流道散熱器與芯片集成結(jié)構(gòu)。通過將大功率熱源芯片集成在微流道散熱器表面，利用散熱器中的微流體實現(xiàn)高效散熱。通過大功率芯片內(nèi)置的溫度傳感器測量芯片表面的溫升，從而表征該集成結(jié)構(gòu)的散熱能力。

圖1 微流道散熱器與芯片集成結(jié)構(gòu)

圖2 所示為本文開發(fā)的硅基微流道散熱器斷面掃描電鏡圖。從圖中可以看出，該微流道的典型尺寸為20~30 μm。

圖2 硅基微流道斷面SEM圖

使用水作為冷卻工質(zhì)，對圖2所示的硅基微流道散熱器的散熱能力進行測試，硅基微流道散熱性能測試結(jié)果見圖3，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 硅基微流道散熱性能測試結(jié)果

（1）硅基微流道散熱器表面芯片溫升與芯片表面的熱流密度成正比；其熱流密度越大，芯片表面溫升越高。

（2）硅基微流道散熱器顯示了非常高效的散熱能力，其實測散熱能力甚至可超過870 W/cm2。

3 硅基微流道散熱器接地性能仿真分析

在雷達、通信、電子信息控制等領(lǐng)域，常用的大功率芯片為GaAs和GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體芯片。該類芯片通常使用射頻傳輸線結(jié)構(gòu)，需要可靠的接地才能實現(xiàn)信號的高效傳輸。若接地不良，可能導致芯片出現(xiàn)自激或燒毀現(xiàn)象。

本文重點研究整體金屬化技術(shù)對硅基微流道散熱器接地性能的影響。由于真實的寬帶大功率微波芯片為多功能芯片，其模型十分復雜，很難對其進行建模仿真分析。本文使用了簡化處理的仿真方法，使用射頻傳輸線模擬芯片，對硅基微流道的接地性能進行了仿真分析。將硅基微流道散熱器進行表面整體金屬化處理，使用HFSS構(gòu)建仿真分析模型，仿真模型和結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，該模型的回波損耗小于35 dB；在20 GHz以下，該模型的插入損耗小于0.13 dB。

圖4 整體金屬化硅基微流道散熱器仿真模型和結(jié)果

仿真結(jié)果表明，在20 GHz以下，整體金屬化的接地方式滿足寬帶微波器件的接地性能要求。也就是使用該種接地方法，滿足微波信號正常傳輸?shù)碾姶盘匦砸蟆?/p>

4 集成硅基微流道的寬帶大功率TR組件

本文通過在硅基微流道表面制備連續(xù)的金屬層，即可將其整體等效為金屬，整體金屬化的硅基微流道實物如圖5所示。同時，該金屬化方法滿足硅基微流道散熱器在TR組件中的可組裝性要求。

圖5 整體金屬化的硅基微流道實物圖

為了將流體引入硅基微流道散熱器中，本文通過微組裝方法，制備了圖6（a）所示的集成硅基微流道的2~6 GHz TR組件：

圖6 集成硅基微流道的2~6 GHz TR組件實物圖和飽和輸出功率測試結(jié)果

（1）將硅基微流道散熱器的進/出液口設置在其底部，方便散熱器正面集成大功率器件；

（2）將硅基微流道散熱器集成在TR組件的金屬封裝盒體中；

（3）在金屬封裝盒體中制備供液流道，并將金屬封裝盒體與供液盒體通過液冷連接器連接；

（4）在供液盒體內(nèi)制備分流網(wǎng)絡，然后通過液冷連接器實現(xiàn)與外部供液系統(tǒng)的連通；

（5）通過金屬封裝盒體上集成的射頻連接器實現(xiàn)TR組件中微波電路與外部電路的互聯(lián)；

（6）通過金屬封裝盒體上集成的低頻連接器和金屬封裝盒體外的PCB電路板和多芯連接器，實現(xiàn)TR組件中低頻電路與外部電路的互聯(lián)。

將水作為冷卻工質(zhì)通入集成硅基微流道的寬帶大功率TR組件中，待其穩(wěn)定后，使用矢量網(wǎng)絡分析儀對其飽和輸出功率進行測試。試驗發(fā)現(xiàn)，大功率芯片工作正常，其輸出特性符合芯片的參數(shù)指標要求，證實了整體金屬化技術(shù)可滿足大功率芯片的接地要求，間接證實了本文第3節(jié)的仿真結(jié)果。

當該TR組件的輸入功率為9.50 dBm時，在2~6 GHz的頻率范圍內(nèi)，其飽和輸出功率均大于40 dBm；其中，在5.38 GHz頻點，該TR組件的飽和輸出功率可達到42.52 dBm。本實驗證實了硅基微流道散熱器可用于大功率寬帶微波芯片的高效散熱，滿足組件的電、熱性能要求。如不使用微流道散熱技術(shù)，該類組件只能短時達到該飽和輸出功率，無法長時間連續(xù)工作。

5 結(jié)論

硅基微流道散熱器是實現(xiàn)高效散熱的最優(yōu)選擇之一。硅基微流道散熱器可實現(xiàn)600 W/cm2以上的高效散熱能力。整體金屬化的硅基微流道散熱器可滿足大功率寬帶微波收發(fā)組件的應用要求。對于集成硅基微流道的2~6 GHz收發(fā)組件，當其飽和輸出時，組件工作正常，輸出功率大于40 dBm。