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(yōu)點(diǎn),并且能夠承受較高的電壓和較大的功率?通常將功率密度達(dá)到1W/m2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(diǎn),需要專門的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來提高散熱能力?控制內(nèi)部溫度,以滿足技術(shù)性能及可靠性要求?本文采用基于有限元分析方法的ANSYS Icepak熱分析模擬軟件對(duì)功率混合集成電路進(jìn)行熱設(shè)計(jì)分析?

1典型工藝結(jié)構(gòu)及熱傳導(dǎo)模型

1.1典型工藝結(jié)構(gòu)

以某功率驅(qū)動(dòng)器為例,其工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示,功率部分的剖面圖見圖2?

1.2熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型

熱量傳輸有輻射?對(duì)流和傳導(dǎo)三種基本方式,其中熱傳導(dǎo)是指同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間,由于溫差產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象,其表達(dá)式為：

由上述公式可看出,導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱方向的截面積對(duì)熱傳導(dǎo)的散熱量影響較大?若要增強(qiáng)散熱,可增大導(dǎo)熱系數(shù),選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料,或增加截面積等?

1.3ANSYS Icepak軟件模型建立

ANSYS Icepak軟件建模有兩種方式,直接法和導(dǎo)入法?由于混合集成電路結(jié)構(gòu)較簡單,因此采用直接法進(jìn)行建模?

首先對(duì)模型進(jìn)一步簡化,略去對(duì)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(jié)構(gòu),在Icepak建模界面模型?并針對(duì)模型均為ANSYSIcepak原始幾何體的特點(diǎn),采用非結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分?模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

選擇模型,點(diǎn)擊【Edit】,在【Properties】界面,添加材料屬性,并按照表1參數(shù)設(shè)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(dǎo)和熱輻射兩種散熱方式?在【Basicsettings】求解基本設(shè)置面板中,僅選擇【Temperature】,打開輻射換熱開關(guān),并設(shè)置默認(rèn)溫度為125℃?

2功率混合集成電路熱分析

2.1元器件布局對(duì)電路熱設(shè)計(jì)的影響

單板設(shè)計(jì)多應(yīng)用于中低功率電路,其功率部分對(duì)電路其他單元影響很小時(shí),可將功率部分和信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)在同一基板上,其優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)計(jì)降低電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,簡化工藝流程?分立設(shè)計(jì)是指將功率部分和信號(hào)處理部分布置在不同基板上,進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和工藝加工制作?高功率和中高功率電路的功率部分若使用單板設(shè)計(jì)(圖4),對(duì)電路其他單元影響較大,因此需要將功率部分和信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)在不同基板上(圖5),能通過獨(dú)立設(shè)計(jì)減小功率部分對(duì)其他部分的熱影響?并且功率部分采用價(jià)格較高的高熱導(dǎo)率基板(AlN?BeO等),信號(hào)處理單元采用價(jià)格較低的常規(guī)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(duì)電路熱設(shè)計(jì)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(dǎo)率及使用該種材料時(shí)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(guī)基板以96%Al2O3三氧化二鋁基板為代表,高導(dǎo)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(gè)重要特性是氮化鋁材料的熱膨脹系數(shù)為4.45×10-6/℃,與熱膨脹系數(shù)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?因此,當(dāng)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(dǎo)率雖低,但有最多的厚膜漿料與之配套,對(duì)于功率不大的中低功率電路,可優(yōu)先選用Al2O3陶瓷?

三種基板的熱導(dǎo)率?適用功率密度?安全性及使用該種材料時(shí)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(yōu)點(diǎn)是工藝成熟?布線性能良好?工藝穩(wěn)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(dǎo)體厚度的數(shù)十倍,可承受更大電流,在對(duì)電流強(qiáng)度有特殊要求的情況下具有顯著優(yōu)勢(shì)?但同樣由于厚度原因,DBC銅箔布線對(duì)導(dǎo)熱有一定影響?各種材料的厚度?熱傳導(dǎo)率及使用該種材料時(shí)器件表面最高溫度見表4?

3結(jié)論

由上文的討論結(jié)果可見,材料導(dǎo)熱系數(shù)熱導(dǎo)率和垂直于導(dǎo)熱方向的橫截面積對(duì)熱性能的影響最大?但同時(shí)應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)溫不超過額定值,進(jìn)一步提高電路可靠性?對(duì)于文中實(shí)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(jié)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(qiáng)的AlN-DBC基板為更優(yōu)選擇?

本文運(yùn)用ANSYSIcepak軟件,結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例,對(duì)功率集成電路進(jìn)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(shè)計(jì)等因素對(duì)功率集成電路熱性能的影響,為功率集成電路的熱設(shè)計(jì)分析提供了研究依據(jù)?

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