基于LTCC微波組件的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)散熱性能仿真分析

廖志平 陸世友

摘要：微通道及導(dǎo)熱柱作為低溫共燒陶瓷（LTCC）主要散熱渠道，其結(jié)構(gòu)會(huì)影響到系統(tǒng)的散熱性能。為獲得散熱性能較好的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)，本文采用有限元軟件ANASYS建立了一種特定的LTCC微波組件的三維有限元分析模型，仿真分析了該組件的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)的散熱性能。結(jié)果表明，組件的功率芯片的結(jié)溫出現(xiàn)在靠近進(jìn)水口的邊角處，為48.9℃，靠近進(jìn)水口附近的芯片溫度較高。由于縱向尺寸效應(yīng)，導(dǎo)熱柱溫度縱向呈梯度分布。微通道內(nèi)流體的流速分布均勻，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。從仿真結(jié)果看出，微通道與導(dǎo)熱柱結(jié)合的散熱結(jié)構(gòu)能夠有效降低組件功率芯片的結(jié)溫，使其在正常工作溫度下。

關(guān)鍵詞：LTCC，微通道，導(dǎo)熱柱，散熱性能

引言

隨著電子封裝向工藝尺寸微小化、功能集成化及高速化方向的快速發(fā)展，部分高性能系統(tǒng)的單芯片功率密度預(yù)計(jì)將高于100W/cm2，如高集成度的LTCC微波組件[1]。由于集成度高，其散熱通道的空間卻極小。因此，如何解決LTCC微波組件的散熱是個(gè)迫切的問題[2]。傳統(tǒng)空氣冷卻法對(duì)現(xiàn)今高集成度、高功耗系統(tǒng)，較低的熱導(dǎo)率和低密度的空氣對(duì)流缺乏吸引力[3]。美國學(xué)者Tuckerman和Pease[4]提出的利用微通道散熱器解決高熱流密度微電子冷卻方法受到越來越多的關(guān)注。采用微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)散熱的LTCC微波組件具備散熱特性好、致密性好，高頻性能佳，與硅匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越特性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高度集成的同時(shí)，有效解決了微波組件散熱問題[5]。本文采用有限元數(shù)值仿真分析的方法，通過有限元軟件ANASYS建立了LTCC微波組件的三維模型，分析矩形微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)對(duì)LTCC微波組件散熱性能的影響，對(duì)LTCC微波組件散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1.熱-流耦合分析

本文研究的LTCC微波組件微通道結(jié)構(gòu)的尺寸范圍屬于典型的微納流體動(dòng)力學(xué)問題，分析時(shí)，要對(duì)微納尺度下進(jìn)行微觀尺度效應(yīng)分析。在微納尺度下，宏觀流體動(dòng)力學(xué)中被忽略的一些力將會(huì)起到一定作用，包括液體的表面張力、分子極化產(chǎn)生的范德華力等，這些力都屬于短程力（<1nm），其積累效果也僅可以達(dá)到1μm的長程[6]，遠(yuǎn)小于本文所研究的微通道尺寸范圍，因此宏觀流動(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本條件方程連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程依然適用。

如上述，若已知組件微通道內(nèi)部分流體的溫度、三個(gè)方向上流速、壓強(qiáng)，就可以獲得微通道中流體的溫度、流速、壓強(qiáng)分布情況，從而獲取整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度。

2.仿真結(jié)構(gòu)模型

本文研究的LTCC微波組件采用Ferro體系的LTCC基板材料進(jìn)行制作，單層生瓷片的厚度為0.127mm，層數(shù)為25層，長寬為45*45mm。組件底部放置了8*8陣列的大功率芯片，長寬為2*1mm，厚度為0.1mm，如圖1（a）、（c）所示。微通道及導(dǎo)熱柱散熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)位于組件內(nèi)部，包括2條主流道，其截面尺寸為2.2*0.762mm，長度為39mm，進(jìn)出水口位于主流道上，截面為柱形；8條次流道，其截面為長方形，通道長度為39mm；2條主流道連通8條次流道。微通道中的主、次流道經(jīng)LTCC微通道制作技術(shù)制成后堆疊，使得主流道位于次流道的上方而形成連通。導(dǎo)熱柱均為埋置孔互聯(lián)柱，主要連接大功率芯片與次流道，如圖1（b）所示。

3.仿真分析

3.1仿真分析設(shè)置

組件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)的尺寸在數(shù)量級(jí)上存在較大差異，在利用有限元相關(guān)軟件分析時(shí)往往會(huì)受到軟件計(jì)算性能、工作效率的限制，因此有必要對(duì)該組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理，在建立分析模型時(shí)做如下假設(shè)：

（1）本文研究中LTCC微波組件微通道內(nèi)流體的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的層流流動(dòng)，而且忽略局部情況下的紊流（根據(jù)計(jì)算雷諾數(shù)范圍是121

（2）本文研究適用壁面無滑移邊界條件以及N-S方程。對(duì)于微通道內(nèi)液體的流動(dòng)特性，在本文分析的水力學(xué)直徑從115～230μm范圍內(nèi)且壁面光滑的微通道里，N-S方程和無滑移邊界條件依然適用；

（3）由于熱輻射相對(duì)于其他換熱方式影響較小，忽略輻射散熱；

（4）穩(wěn)定的流場分布和熱傳輸過程。

3.2仿真結(jié)果分析

本文的研究對(duì)象微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)在服役情況下，流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的層流流動(dòng)，流體從入水口進(jìn)入微通道，入水口的流體流量為0.5L/min；溫度為25℃；出水口壓強(qiáng)為0.2MPa；大功率芯片發(fā)熱功率密度為100W/cm2。通過ANSYS熱-流體耦合仿真分析，得到如圖2（a）所示的功率芯片的溫度分布圖。從圖中可以看出，LTCC微波組件上的64塊發(fā)熱功率芯片溫度整體分布較均勻，兩邊呈對(duì)稱分布，結(jié)溫出現(xiàn)在微通道流向末端的上部，為48.9℃。圖2（b）顯示的是導(dǎo)熱柱溫度分布，由于縱向尺寸效應(yīng)，越靠近功率芯片的位置溫度就越高。

圖2（a）芯片溫度分布、（b）導(dǎo)熱柱溫度分布、（c）微通道流體流速分布、（d）微通道流體壓強(qiáng)分布

圖2（c）為微通道內(nèi)流體的流速分布圖，進(jìn)出水口附近的水流速度最大，主流道內(nèi)的流體流速基本大于次流道內(nèi)的。圖2（d）為微通道內(nèi)流體的壓強(qiáng)分布圖，從圖中可以看出，進(jìn)水口處的流體壓強(qiáng)最大，出水口處的流體壓強(qiáng)最小，微通道內(nèi)流體壓強(qiáng)從進(jìn)水口沿著微通道到出水口逐漸減小，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。

4.結(jié)論

本文利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)一種LTCC微波組件其微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)的散熱性能進(jìn)行了研究，獲得了組件在一定條件下的熱場、流場和壓力場的云圖分布，得到以下幾個(gè)重要結(jié)論：

（1）功率芯片的結(jié)溫出現(xiàn)在靠近進(jìn)水口的邊角處，為48.9℃，靠近進(jìn)水口附近的芯片溫度較高，越往出水口溫度越低。

（2）導(dǎo)熱柱的橫向溫度分布與芯片的溫度分布具有高度的一致性，縱向呈梯度分布。

（3）微通道內(nèi)流體的流速分布均勻，壓強(qiáng)從進(jìn)水口沿著微通道到出水口逐漸減小，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。

（4）從仿真結(jié)果可以看出，微通道與導(dǎo)熱柱結(jié)合的LTCC微波組件散熱結(jié)構(gòu)能夠有效降低功率芯片的結(jié)溫，使其在正常工作溫度下。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍樂.低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用[J].電子與封裝，2006， 6（11）：5-9.

[2]徐超，何雅玲，楊衛(wèi)衛(wèi)，等.現(xiàn)代電子器件冷卻方法研究動(dòng)態(tài)[J]. 制冷與空調(diào)，2003，3（4）：10-13.

[3]Liu Shutian， Zhang Yongcun， Liu Peng. Heat Transfer and Pressure Drop in Fractal Microchannel Heat Sink for Cooling of Electronic Chips[J]. Heat Mass Transfer，2007，44：221-227.

[4]D.B.Tuckerman，R.F.W. Pease. High-performance heat sinking for VLSI[J]. IEEE Electron Device Letters， 1981， 2（5）： 126-129.

[5]顧林衛(wèi).射頻功率模塊的熱性能分析[J].艦船電子對(duì)抗，2007， 30（6）：112-114.

[6]張穎，王蔚，田麗，等.微流動(dòng)的尺寸效應(yīng)[J].微納電子技術(shù)，2008，45（1）：33-37.