芯片封裝均溫板殼體的傳熱特性研究

毛春林 劉漢敏 孫 健 周小祥 陳志蓬 高百齡

(1 AVC深圳興奇宏科技有限公司 深圳 518100；2 景德鎮陶瓷大學 景德鎮 333403)

芯片作為計算設備的核心，廣泛應用于智能手機、服務器、電腦等電子設備，且對5G、人工智能、物聯網、數據中心、智慧城市等構建具有重要的推動作用。隨著芯片集成化和微型化方向的快速發展，封裝密度和功耗不斷增加，使芯片熱流密度也迅速提升。芯片封裝殼體(integrated heat spreader，IHS)作為晶圓與其它器件的連接媒介，不僅能夠保護晶圓，減少外界環境對芯片的影響，而且能夠提供良好的機械支撐、電氣連接及散熱路徑，對于提高芯片的性能、加工工藝及使用壽命起到決定性作用[1]。常見的芯片封裝殼體一般為單一或復合金屬材料(Cu、Al、Mo以及Cu/W等)，受限于材料本身的導熱系數，芯片單位熱流密度的不斷提升會導致擴散熱阻較大，同時溫度分布不均產生的熱應力或熱變形會造成晶圓的損壞、變形或斷裂，影響部件和系統的穩定性[2-3]。芯片級的熱流密度高達100 W/cm2，有的甚至高達1 kW/cm2，且結溫要求范圍仍為90～110 ℃[4-5]，芯片與殼體之間的接觸熱阻及均溫性會直接影響芯片的安全和壽命。均溫板(vapor chamber，VC)為一種兩相傳熱的特殊熱管，在電子器件散熱領域引起極大的關注，具有導熱系數高、均溫性強、熱擴散系數高的特點[6-8]，Zhang Y.P.等[9]設計了一款均溫板取代金屬基板的高功率電源模塊，均溫板相比于銅基板熱擴散能力顯著，Li Bo等[10]用均溫板代替傳統基板對MOSFET進行有效散熱，可以使其在更均勻的溫度梯度下工作。Huang Dou等[11]實驗研究了毛細顆粒尺寸、充液率對均溫板的性能影響，得到均溫板的表面溫度受充液率和毛細結構的影響。S.Wiriyasart等[12-13]實驗研究了燒結柱密度對均溫板的熱性能影響，具有較高毛細作用的燒結柱有更高的傳熱性能。Wang Tonghong等[14]用均溫板代替銅殼，數值研究了芯片的傳熱特性，對比銅殼，均溫板可使芯片傳熱性能顯著增強。為了便于描述，本文將芯片封裝均溫板殼體和金屬銅殼體分別簡稱為VC IHS和Cu IHS。

目前對均溫板VC的結構材料、毛細參數、工質等方面的研究較多[15-16]，而均溫板直接作為芯片封裝殼體，通過實驗歸納不同芯片尺寸和功耗的應用研究較少?；诟邿崃髅芏刃酒纳嵝枨笠约熬鶞匕宓膫鳠崽匦?，本文采用均溫板替代芯片封裝金屬殼體的散熱方案，設計加工了一款具有微針筋的均溫板，實驗研究了不同充液率、芯片尺寸、散熱器運行參數(水流量、溫度)對VC IHS傳熱性能的影響，并與同工況條件下Cu IHS的傳熱性能進行了對比，總結了不同面積比下熱阻比與熱流密度的對應關系，為高熱流密度芯片封裝VC IHS的應用提供參考。

1 實驗裝置及系統

1.1 均溫板VC IHS的設計與加工

針對Cu IHS擴散熱阻和均溫性受限而導致芯片性能下降的問題，文中取代傳統的芯片封裝金屬銅殼體Cu IHS，采用均溫板VC作為芯片封裝殼體的散熱方案，芯片封裝殼體的結構如圖1所示。芯片內部的晶圓釋放熱量，經熱界面材料傳遞至均溫板的蒸發壁面，毛細結構內部液態工質吸熱相變蒸發成氣態，在冷凝壁面釋放潛熱相變成液體，在重力或毛細力作用下液體工質重新回到蒸發端，如此循環進行相變換熱。相比VC IHS的熱量傳遞原理，Cu IHS是均一銅材料經機械加工制成，僅通過熱傳導的方式傳遞芯片中釋放的熱量。

圖1 芯片封裝殼體的結構

均溫板VC IHS結構如圖2所示，主要由上蓋板、下蓋板、毛細結構、支撐柱和相變工質組成，蒸發面和冷凝面的毛細結構分別由銅粉(120～200目，厚0.4 mm)和銅網(200目，厚0.2 mm)燒結而成，孔隙率分別為50%和67.5%，為了提升臨界熱流密度(critical heat flux, CHF)和沸騰傳熱系數，蒸發面燒結了微突的銅粉針筋，內部充填工質為去離子水，通過排列等間距的支撐柱，保證VC IHS的結構強度，通過燒結、原子擴散焊接、還原、抽真空、注液等一系列工序完成芯片封裝散熱的均溫板殼體制作，機械精加工后進行熱測試分析，結構參數如表1所示。

表1 VC IHS的結構參數

圖2 均溫板VC IHS的結構

圖3所示為VC IHS內部燒結銅粉和銅網的微觀形貌。如圖3(a)所示，保護氣氛(氮氫混合氣體)燒結溫度為980 ℃，保溫時間2 h條件下，銅粉顆粒間燒結頸聯結，形成不規則、表面粗糙的孔隙，提供液體相變蒸發空間的同時，一定程度上能夠提升表面傳熱系數，圖3(b)所示為VC IHS冷凝壁面結構規則的銅網形貌，孔隙率高，流動阻力小。

圖3 燒結銅粉和銅網的微觀形貌

VC IHS的充液率是指充液質量與VC IHS毛細結構內完全飽和水的質量之比，充液率η計算如下：

(1)

式中：ml為實際充液質量，g；msat為毛細芯內完全飽和水的質量，g。

1.2 實驗測試系統

VC IHS實驗系統主要包括智能恒溫水槽、流量計、直流穩壓電源、數據采集儀、模擬熱源、水冷板、VC IHS熱測試平臺以及用于數據監測處理的計算機，實驗裝置如圖4(a)所示。水冷板的進口水流量和溫度分別通過流量計和智能恒溫水槽進行調節，DC直流穩壓電源輸出電壓和電流，通過數據采集儀和計算機監測并處理不同參數條件下VC IHS各測點溫度變化情況。

圖4(b)所示為VC IHS熱測試平臺，主要包括VC IHS、加熱塊、水冷板、支撐框架以及絕熱材料等，加熱塊內置加熱棒，用于模擬芯片的輸出功率，功率范圍為0～750 W，加熱塊四周包裹絕熱材料可避免漏熱。VC IHS、加熱塊與水冷板三者之間均涂抹導熱硅脂(信越X-23-7921-5)，通過標準熱測試平臺進行固定測試。

圖4 VC HIS實驗測試系統

T型熱電偶分布如圖5所示，通過測點溫度來分析Cu IHS和VC IHS的傳熱性能，T1～T5為IHS冷凝壁面與水冷板間溫度(℃)，Tj為模擬熱源結溫(℃)。

圖5 熱電偶分布

VC IHS和Cu IHS的實驗參數及測試條件如表2所示，兩者的尺寸相同，測試條件主要包含充液率、功率、芯片尺寸、水流量和水溫。

表2 VC IHS和Cu IHS的實驗參數及測試條件

1.3 數據處理及誤差分析

熱阻是表征VC IHS傳熱性能的重要參數，熱阻越小，表明VC IHS具有更好的傳熱能力。熱阻Rjc計算式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Tc為IHS冷凝壁面與水冷板間的平均溫度，℃；q為芯片的熱流密度，W/cm2；Q為加熱功率，W；A為芯片的面積，mm2；U為直流穩壓電源的電壓，V；I為直流穩壓電源的電流，A。

在同一測試條件下，定義溫差來分析Cu IHS和VC IHS的均溫性，同時定義Cu IHS和VC IHS的熱阻比ψ來衡量兩者的傳熱能力大小，ψ越大，表明VC IHS的傳熱能力越好。均溫性ΔT、熱阻比ψ計算式如下：

ΔT=Max(T1,T2…T5)-Min(T1,T2…T5)

(5)

(6)

式中：Rjc-Cu與Rjc-VC分別為Cu IHS和VC IHS的熱阻，℃/W。

實驗中所用的T型熱電偶最大測量誤差為0.5 ℃，穩壓直流電源的電壓不確定度為0.1%，電流不確定度為0.5%，由誤差傳遞原理得到功率和熱阻的不確定度分別為0.35%和5.17%。

2 實驗結果與討論

2.1 充液率對VC IHS的傳熱性能影響

充液率作為衡量兩相流傳熱產品性能的重要參數，高充液率會導致系統啟動時間過長，熱阻增大，相反的，低充液率會降低臨界熱流密度(CHF)，增加損壞產品的風險[17]。圖6所示為不同充液率下VC IHS的熱阻隨功率的變化。由圖6可知，當充液率為70%時，VC IHS的熱阻隨著功率的增加先降低后升高，功率為200 W時，VC IHS的熱阻最低，表明VC IHS內部氣-液相變傳輸達到動態平衡狀態，熱性能最佳，進一步提升功率，VC蒸發區內部回流液體不足導致熱阻和結溫驟然升高；當充液率大于70%時，熱阻隨著功率的增加而降低，在相同功率條件下，熱阻隨著充液率的增加而增大。充液率的大小影響VC IHS的傳熱性能，存在最佳的充液率使得VC IHS具有較低的熱阻，在高熱流密度條件下，VC IHS的最佳充液率為90%。

圖6 不同充液率下VC IHS的熱阻隨功率的變化

2.2 散熱器參數對VC IHS的傳熱性能影響

文中選用水冷板為VC IHS的散熱器，水冷板的運行參數主要包括水流量和溫度，其運行參數會通過改變VC IHS的冷凝壁面溫度來影響整個系統的性能。圖7(a)所示為不同水溫條件下VC IHS的熱阻隨功率的變化，VC IHS的熱阻隨水溫的增加而降低。圖7(b)所示為不同水流量條件下VC IHS的熱阻隨功率的變化，VC IHS的熱阻隨水流量的增加而降低。水流量增加能夠強化冷凝面的散熱，有效降低了VC IHS的運行溫度，蒸發面與冷凝面的溫差減小，熱阻降低。由圖7可知，不同水流量及溫度條件下熱阻隨功率的增加呈下降趨勢，表明水冷板有足夠的散熱能力。

圖7 不同水流量和溫度下VC IHS的熱阻隨功率的變化

2.3 芯片尺寸對VC IHS的傳熱性能影響

芯片尺寸的大小不僅與芯片表面熱流密度有關，而且決定封裝的難易程度，芯片尺寸越小，單位面積熱流密度越大，封裝難度越高。為了更準確把握VC IHS的傳熱性能，進一步研究了不同芯片尺寸對VC IHS的傳熱性能影響。圖8所示為不同芯片尺寸條件下VC IHS的熱阻和結溫的變化。由圖8可知，隨著芯片尺寸的減小，VC IHS的熱阻和結溫均隨功率的增加而升高。這是由于芯片尺寸減小，導致單位面積熱流密度增大。在低熱流密度時，內部氣液相變循環處于動態平衡狀態，熱阻和結溫較低，一旦超過CHF，VC IHS內部相變程度劇烈，液體回流不足，蒸發區域局部燒干，熱阻和結溫上升，持續工作會降低使用壽命，甚至損毀芯片。由圖8可知，當芯片尺寸為10×10 mm2時，VC IHS的CHF為200 W/cm2。

圖8 不同芯片尺寸對VC IHS的性能影響

2.4 VC IHS的熱性能評價

為了更好的評價VC IHS熱擴散能力及均溫性，與Cu IHS熱力性能進行對比，對VC IHS的啟動、傳熱性能及均溫性進行了測試分析，測試結果如圖9所示。由圖9(a)可知，在相同工況條件下，VC IHS(q=200 W/cm2)的熱阻和結溫低于Cu IHS，熱阻降低20%，原因在于VC IHS內部工質相變引起的有效導熱系數遠大于銅的導熱系數。當熱流密度大于200 W/cm2時，VC IHS內部氣液相變蒸發沸騰程度劇烈，蒸發區域液相工質回流不足，局部開始出現燒干現象，熱阻驟然上升。圖9(b)所示為Cu IHS和VC IHS的啟動和均溫性變化，可以發現VC IHS能夠短時間內達到穩定，隨著功率的增加，冷凝面的溫差增幅較小，這是由于VC IHS的平面向導熱系數高于Cu IHS，能夠減少局部熱點問題，均溫性更佳。綜上所述，對于高熱流密度、微型化芯片封裝領域，均溫板在高效散熱、均溫性方面更具應用前景。

圖9 VC IHS的啟動運行及傳熱性能

圖10所示為不同面積比條件下Cu IHS和VC IHS的熱阻比Ψ隨熱流密度的變化，當Ψ≤1時，表明Cu IHS的熱阻小于VC IHS，即VC IHS的傳熱性能比Cu IHS差；相反的，當Ψ>1時，Cu IHS的熱阻遠大于VC IHS，VC IHS的傳熱能力較好。由圖10可知，在低熱流度時，面積比越大，VC IHS的傳熱能力越好；在高熱流密度時，VC IHS相比于Cu IHS在傳熱性能上優勢顯著，但要注意臨界熱流密度，避免局部燒干，這些變化歸因于熱源尺寸變化時VC IHS出現的相變機制和蒸氣流動過程的差異。上述信息可為今后VC應用于芯片封裝的熱設計和分析提供一定的參考，為推動芯片封裝VC IHS散熱應用發揮重要作用。

圖10 不同面積比條件下Cu IHS和VC IHS的熱阻比隨熱流密度的變化

3 結論

本文采用均溫板VC作為芯片封裝殼體IHS，實驗研究了不同功率、充液率、散熱器運行參數(水流量、水溫)、芯片尺寸對VC IHS的傳熱性能影響，并與同工況條件下Cu IHS的傳熱性能進行了對比，總結了不同面積比下熱阻比與熱流密度的對應關系，得到如下結論：

1)充液率的大小影響VC IHS的傳熱性能，存在最佳的充液率使VC IHS具有較低的熱阻，在高熱流密度條件下，最佳充液率為90%。

2)散熱器的運行參數會影響VC IHS的壁面溫度，VC IHS的熱阻隨水溫和水流量的增加而降低。

3)隨著芯片尺寸的減小，VC IHS的熱阻和結溫隨功率的增加而升高；在恒定熱流密度為200 W/cm2時，VC IHS的啟動時間較短，均溫性更佳，熱阻和結溫均小于Cu IHS，熱阻減小20%。

4)對于高熱流密度、微型化芯片封裝領域，均溫板在高效散熱、均溫性方面更具應用前景。不同面積比下熱阻比與熱流密度的對應關系可為芯片封裝VC IHS熱設計提供參考。