基于Icepak的功率混合集成電路熱設(shè)計(jì)分析

馮雯雯　呂果　楊松　韓闖　馬朝驥

摘 要 本文基于 ANSYS Icepak 軟件，對(duì)影響功率集成電路熱性能的功能模塊布局方式以及外殼、基板、布線、焊接材料等設(shè)計(jì)因素進(jìn)行初步研究，為功率集成電路的熱設(shè)計(jì)分析提供了建議和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ANSYS Icepak;熱設(shè)計(jì);功率集成電路

中圖分類號(hào)： TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.014

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[1]。通常將功率密度達(dá)到1W/in2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[2]。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。

1.3 ANSYS 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(jiǎn)單，因此采用直接法進(jìn)行建模。

首先對(duì)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)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ANSYS Icepak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【Basic settings】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(jiǎn)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[2]。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[5]。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[6]。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 ANSYS Icepak 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)。

參考文獻(xiàn)

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