微流體系統(tǒng)在高功率裸芯片模塊上的散熱研究

錢自富,李麗丹,李 鵬,張慶軍,李 治,劉壓軍,宋 潔

(1.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 綿陽 621000;2.四川航電產(chǎn)品輕量化設(shè)計與制造實驗室, 四川 綿陽 621000 3.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室, 重慶 400050)

0 引言

隨著機(jī)載電子設(shè)備小型化和高性能的迫切需求,芯片集成度要求越來越高,芯片在工作時的熱流密度也隨之不斷地升高。功率芯片產(chǎn)生的熱量不能夠及時被帶走,設(shè)備長期工作在高溫情況下,會影響芯片的工作壽命,甚至造成芯片的直接失效[1-2]。高溫已經(jīng)成為電子設(shè)備失效的主要原因。有數(shù)據(jù)表明,電子設(shè)備的運行故障中,因溫度造成的故障占到55%以上[3]。隨著溫度的升高,電子設(shè)備的可靠性和平均故障時間(MTBF)急劇下降,其失效概率呈指數(shù)增長[4]。

Tuckerman等[5]于1981年首次提出了微通道散熱器的設(shè)計方法,通過設(shè)計平行微直通道,在芯片面積為1 cm2上可散去790 W的熱量,使其溫度始終保持在71 ℃左右。目前,國內(nèi)外關(guān)于功率封裝芯片的整體散熱做了大量研究工作[6-15],但是很少涉及裸芯片相關(guān)的研究。行業(yè)內(nèi)現(xiàn)階段多將裸芯片先與鎢銅墊片進(jìn)行共晶焊接,再將組件與金屬散熱器通過導(dǎo)電膠黏接。導(dǎo)電膠導(dǎo)熱系數(shù)約為2.5 W/(m·℃),黏接厚度為0.1 mm,其較低的導(dǎo)熱系數(shù)成為熱傳遞過程中的主要熱阻。

提升功率裸芯片的散熱能力,已成為解決功率裸芯片散熱問題的關(guān)鍵因素。針對功率裸芯片高熱流密度的特點,傳統(tǒng)液冷技術(shù)無法有效解決其散熱問題,采用裸芯片共晶焊接到過渡層,過渡層共晶焊接到功率模塊腔體,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)電膠黏接工藝,可有效降低裸芯片到功率模塊腔體的傳導(dǎo)熱阻。利用在功率芯片的腔體內(nèi)嵌微通道,將微通道散熱器集成在功率模塊腔體內(nèi)部,將冷卻液直接引入裸芯片的微通道散熱器中,直接對裸芯片進(jìn)行冷卻散熱,提升裸芯片的散熱能力。

1 原理分析

1.1 微系統(tǒng)的工作原理

該高功率裸芯片微流體散熱系統(tǒng)為自閉環(huán)一體化散熱系統(tǒng)。將微通道散熱器集成于功率模塊內(nèi)部,采用一體化設(shè)計方式將冷卻液引入裸芯片散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中。微流體系統(tǒng)主要由壓電微泵、微通道散熱器、裸芯片、焊接過渡層、換熱器、流體管路以及內(nèi)部工質(zhì)等組成。裸芯片、焊接過渡層和微通道散熱器通過共晶焊工藝結(jié)合,實現(xiàn)裸芯片熱量到微通道散熱器的低熱阻傳導(dǎo)。壓電微泵作為驅(qū)動源促使換熱媒質(zhì)在管路中流動,整個系統(tǒng)通過換熱器與外界進(jìn)行熱交換。當(dāng)功率裸芯片工作時,微流道散熱器從裸芯片帶走熱量,通過管路中的流體把熱量傳輸給換熱器,最終將熱量傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 高功率裸芯片模塊微流體散熱系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 裸芯片低熱阻傳熱設(shè)計

熱傳導(dǎo)過程中的熱阻和熱傳導(dǎo)過程如下:

(1)

(2)

式中:L為材料的厚度,m;Kc為接觸面等效導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);A為接觸面積,m2;ΔT為2個接觸面的溫差,℃;Q為傳導(dǎo)過程的總熱量,W。

由式(1)和式(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厚度、導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)。熱傳導(dǎo)路徑越短,材料導(dǎo)熱系數(shù)越高,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焊料共晶焊接在鎢銅墊片上,鎢銅墊片再通過導(dǎo)電膠黏接在功率模塊腔體上。裸芯片與功率模塊腔體為接觸傳導(dǎo)散熱,當(dāng)傳熱路徑上熱阻較高時,將不利于芯片的散熱。為降低傳熱路徑上的傳導(dǎo)熱阻,更換導(dǎo)熱系數(shù)更高的過渡層,將鎢銅墊片更換為金剛石鋁/金剛石銅;同時采用共晶焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠黏工藝,以實現(xiàn)路徑上的高效傳熱,如圖3所示。

圖2 高功率裸芯片模塊傳統(tǒng)安裝形式示意圖

圖3 高功率裸芯片模塊改進(jìn)工藝安裝形式示意圖

相對于傳統(tǒng)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)電膠黏接;在功率模塊腔體中采用了微流道散熱結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電膠、共晶焊料、鎢銅墊片和金剛石的導(dǎo)熱性能參數(shù)如表1所示。可知,該功率模塊傳熱路徑上,共晶焊料的熱阻是導(dǎo)電膠熱阻的1/360～1/280。焊接工藝的使用,將有效降低裸芯片到功率模塊腔體的熱阻,提升裸芯片的散熱性能。

采用Au80Sn20焊料(熔點280 ℃)將祼芯片焊接在金剛石上,將焊接后的組件通過Sn63Pb37(熔點260 ℃)焊料焊接在功率模塊腔體上。芯片與金剛石的空洞率控制在10%之內(nèi),金剛石與功率模塊腔體的空洞率控制在15%之內(nèi),保證系統(tǒng)的傳熱效率。

表1 材料的性能參數(shù)

2 實驗裝置

為了研究微通道結(jié)構(gòu)對該系統(tǒng)散熱性能的影響,設(shè)計了平直流道和交聯(lián)流道結(jié)構(gòu),并和無微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對,采用AlSi42、6061 2種鋁合金,制作的功率模塊腔體類型如表2所示。AlSi42的導(dǎo)熱系數(shù)為140 W/(m·℃),6061的導(dǎo)熱系數(shù)為 180 W/(m·℃)。

表2 腔體類型

腔體內(nèi)部微流道結(jié)構(gòu)有2種形式,一種是在平直流道上進(jìn)行3次打斷設(shè)計,為交聯(lián)流道,如圖4(a)所示;一種為平直流道,其尺寸大小與交錯流道一致,如圖4(b)所示。

圖4 功率模塊腔體內(nèi)部微流道結(jié)構(gòu)

試驗使用的功率模塊組裝形式:其內(nèi)部均采用新工藝方法,以金剛石代替鎢銅墊片,以共晶焊接工藝替代黏接工藝。

功率模塊實物如圖5所示,上層采用透明的玻璃蓋板,以便觀察裸芯片的工作情況。

為驗證該微流體散熱系統(tǒng)的實際散熱性能,搭建了測試系統(tǒng),測試系統(tǒng)中采用的設(shè)備主要有:

1) 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,其焊接溫度小于300 ℃時,即可保證芯片的正常工作,不會因為焊接溫度過高造成芯片被燒毀,其尺寸為3.6 mm×3.5 mm×0.1 mm,漏壓設(shè)置為+28 V,柵壓設(shè)置為-2 V時,靜態(tài)電流為2.5 A,最大靜態(tài)功率為70 W,芯片的表面積為0.126 cm2,最大表面熱流密度可達(dá)到555 W/cm2,最大結(jié)溫為200 ℃。

2) 換熱器選用風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷源,對換熱器進(jìn)行散熱。

3) 壓電微泵流量約為350 mL/min。儲液器在系統(tǒng)中起到補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。

4) 穩(wěn)壓直流電源用于給整個系統(tǒng)供電。K型熱電偶用于測試器件表面溫度,其測試精度為±0.1 ℃。使用OMEGA溫度數(shù)據(jù)采集儀,采集及處理熱電偶的測試數(shù)據(jù)。

根據(jù)GJB 150.3A—2009,軍用機(jī)載設(shè)備最嚴(yán)酷的工作環(huán)境溫度為70 ℃,將測試環(huán)境的溫度維持在70 ℃[15]。將整個測試系統(tǒng)放置在高溫箱內(nèi)。整體的測試平臺如圖6所示。

實際測試過程中因芯片面積較小,且芯片上分布金線鍵合點,熱電偶傳感器無法黏貼在芯片上進(jìn)行測量,而紅外測量儀器又無法滿足測量精度。因此測量時選取芯片旁邊印制板上一點作為測量點,要求此點在不影響鍵合金線的前提下盡量靠近芯片,測量點位置如圖7所示。

圖6 整體測試平臺實物圖

為了獲得芯片的最高溫度,對微流體散熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,通過仿真得到的監(jiān)測點和芯片的溫度差來近似代替真實的監(jiān)測點和芯片的溫度差,如式(3)所示;再加上試驗獲得的監(jiān)測點溫度得到芯片的最高溫度,如式(4)所示。

ΔTS≈ΔTR

(3)

ΔTS+Tm=Tmax

(4)

式中:ΔTS為仿真監(jiān)測點和芯片的溫度差,℃;ΔTR為真實監(jiān)測點和芯片的溫度差,℃;Tm為試驗獲得的監(jiān)測點溫度,℃;Tmax為芯片的最高溫度,℃。

3 實驗分析

3.1 有無微流道時監(jiān)測點的溫度變化比較

圖8是熱流密度為320 W/cm2時,樣件1(平直微流道)和樣件4(無微流道)芯片上測試點的溫度隨時間的變化曲線。由圖8可以看出,樣件1和樣件4都在400 s左右達(dá)到溫度平衡,樣件1達(dá)到平衡的溫度為82.4 ℃,樣件4達(dá)到平衡的溫度為87.9 ℃。達(dá)到最終平衡時,樣件1要比樣件4低5.5 ℃,表明相同情況下功率模塊具備微流道的散熱能力要明顯優(yōu)于無微流道的情況。

圖8 320 W/cm2時功率模塊腔體有無微流道時,監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線

3.2 平直流道尺寸寬度對監(jiān)測點溫度的影響

圖9為320 W/cm2的熱流條件下,不同的流道尺寸樣件1(平直流道尺寸為0.8 mm)與樣件3(平直流道尺寸為0.4 mm)芯片上測試點的溫度隨時間的變化曲線。由圖9可知,樣件1和樣件3均在400 s左右達(dá)到溫度平衡,平衡后樣件1的最高溫度為82.4 ℃,樣件3的最高溫度為81.2 ℃,其最大的溫差為1.2 ℃;同時,也可觀察到在溫度升高的過程中,樣件1監(jiān)測點的溫度總要比樣件3的溫度更高。這表明相同情況下,流道尺寸越小,其對應(yīng)的散熱能力越強(qiáng)。

圖9 320 W/cm2時功率模塊腔體在不同流道尺寸下,監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線

3.3 交聯(lián)流道和平直流道腔體上溫度監(jiān)測點的溫度比較

圖10為320 W/cm2的熱流條件下,樣件2(交聯(lián)流道)與樣件3(平直流道)芯片上測試點的溫度隨時間的變化曲線。

圖10 320 W/cm2時功率模塊腔體在平直微流道和交聯(lián)微流道下,監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線

由圖10可知,平衡后樣件2的最高溫度為79.1 ℃,樣件3的最高溫度為82.4 ℃,最大的溫差為3.3 ℃;同時,也可觀察到在溫度升高的過程中,樣件3監(jiān)測點的溫度比樣件2的溫度更高。這表明此種情況下,功率模塊腔體交聯(lián)流道要比平直流道的散熱性能要好。圖11表示在不同的熱流密度狀態(tài)下,樣件2和樣件3達(dá)到最終溫度平衡的狀態(tài)。由圖11可知,相同熱流密度狀態(tài)下,樣件3的最終平衡溫度比樣件2更大,這說明樣件3(平直流道)的散熱能力要比樣件2(交聯(lián)流道)的散熱能力更弱。

圖11 不同熱流密度時,功率模塊腔體在平直微流道和交聯(lián)微流道下,監(jiān)測點的溫度變化曲線

由上文可知,樣件2的材料為AlSi42,其導(dǎo)熱系數(shù)為140 W/(m·℃),樣件3的材料為6061,其導(dǎo)熱系數(shù)為180 W/(m·℃),在其余情況相同時,樣件3散熱器的散熱能力強(qiáng)于樣件2。根據(jù)3.2小節(jié)的工況可知,相同條件下,流道尺寸越小其散熱能力越強(qiáng)。樣件2在材料導(dǎo)熱系數(shù)更低,流道尺寸更大的情況下,其散熱能力卻比樣件3更好。這是因為樣件2的流道結(jié)構(gòu)采用了交聯(lián)流道的形式,有效增強(qiáng)了樣件2功率模塊腔體的散熱能力。

交聯(lián)微通道是一種基于熱邊界層中斷理論設(shè)計的具有交錯結(jié)構(gòu)的微通道結(jié)構(gòu)。交聯(lián)微通道是在傳統(tǒng)的平直微通道上將部分流道進(jìn)行打斷,使工質(zhì)在流動方向上的邊界層重新發(fā)展,產(chǎn)生連續(xù)的入口發(fā)展段熱邊界層[16-17],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。

4 仿真分析

由上述可知,熱電偶不能直接黏貼在芯片上,為了獲得芯片實際的最高溫度,需要結(jié)合實驗與仿真分析。采用6sigmaET熱仿真分析軟件進(jìn)行分析。仿真的環(huán)境溫度為70 ℃。仿真中使用的AF65航空冷卻液的各類參數(shù)如下:密度為1 082 kg/m3,黏度為1.84×10-5kg/(m·s),導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 5 W/(m2·℃)。

操作條件設(shè)置:① 對不同樣件在芯片熱流密為100 W/cm2時進(jìn)行仿真分析;② 對樣件2在熱流密度為100、160、240、320、360 W/cm2時進(jìn)行仿真分析。

圖12為熱流密度為100 W/cm2時,樣件2微流道散熱系統(tǒng)的溫度云圖。由圖12可以看出,整個系統(tǒng)上溫度最高處在裸芯片上,最高的溫度為86.6 ℃。

表3表示不同樣件在100 W/cm2熱流密度時,對應(yīng)的監(jiān)測點實驗與仿真溫度。從表3可以看出,在芯片熱流密度為100 W/cm2時,不同樣件實驗監(jiān)測點的溫度和仿真監(jiān)測點的溫度差別較小。實驗測得的溫度和仿真得到的溫度誤差在3%之內(nèi),仿真具有很高的參考性。仿真時芯片最高溫度與溫度監(jiān)測點的溫差,可以近似代表實驗時芯片的最高溫度與溫度監(jiān)測點的溫差。

表3 不同樣件在100 W/cm2熱流密度時,對應(yīng)監(jiān)測點實驗與仿真分析的溫度

將仿真和實驗得到的樣件2在不同的熱流密度對應(yīng)監(jiān)測點的溫度相關(guān)信息整理成表4。從表中可以看出,隨著熱流密度的增加,樣件2在不同熱流密度對應(yīng)的試驗監(jiān)測點溫度和仿真監(jiān)測點的溫度差別逐漸變大,但仿真的誤差都控制在8%之內(nèi),仿真具有較好的準(zhǔn)確性。

在熱流密度為320 W/cm2時,芯片的最高仿真溫度達(dá)到了136 ℃。在熱流密度為360 W/cm2時,芯片的最高仿真溫度達(dá)到了144 ℃。按照《元器件降額使用準(zhǔn)則》(GJB/Z 35—93)Ⅱ級降額要求[18],當(dāng)芯片的結(jié)溫為200 ℃時,芯片表面的最高溫度不超過140 ℃,即可保證芯片的可靠性。樣件2對應(yīng)的微流體散熱系統(tǒng)在仿真條件下,不能解決熱流密度為360 W/cm2時的情況,但可以解決熱流密度為320 W/cm2時的情況。

表4 樣件2在不同熱流密度時對應(yīng)監(jiān)測點溫度相關(guān)信息

5 結(jié)論

1) 采用裸芯片共晶焊接到金剛石,金剛石共晶焊接到功率模塊腔體來替代傳統(tǒng)的導(dǎo)電膠黏接工藝,有效降低了裸芯片到功率模塊腔體的傳導(dǎo)熱阻;

2) 具備微流道結(jié)構(gòu)的高功率裸芯片散熱系統(tǒng),其散熱效果要優(yōu)于無微流道結(jié)構(gòu)的狀態(tài);功率模塊腔體散熱器的性能與流道的寬度有關(guān)系,相同條件下流道寬度為0.4 mm的平直流道,散熱效果要優(yōu)于流道寬度為0.8 mm的平直流道;相同情況下,交聯(lián)流道結(jié)構(gòu)的散熱效果,要優(yōu)于平直流道結(jié)構(gòu);

3) 實驗測得的溫度和仿真得到溫度的最大誤差在8%之內(nèi),仿真具有較高的準(zhǔn)確性。

4) 在環(huán)境溫度為70 ℃時,樣件2(功率模塊腔體材料:AlSi42,流道尺寸:0.8 mm×1 mm,流道形式:交聯(lián)流道)對應(yīng)的微流體散熱系統(tǒng)最大能解決320 W/cm2的熱流密度的情況。