基于LTCC 的微流道散熱技術(shù)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230001）

1 引言

LTCC 多層陶瓷共燒技術(shù)作為3D 立體組裝中較理想的基板材料，具有優(yōu)秀的高頻、高品質(zhì)因數(shù)和高速傳輸特性，數(shù)字響應(yīng)快，且能耐高溫及適應(yīng)大電流，被廣泛地應(yīng)用于微波通信、軍事和航空航天等領(lǐng)域。然而隨著其功率模塊集成度越來(lái)越高，工作時(shí)熱耗散功率也隨之增加，若不能及時(shí)排除該耗散功率轉(zhuǎn)化來(lái)的熱量，模塊溫度將急劇增高，嚴(yán)重影響芯片的可靠性及壽命[1-2]。據(jù)研究表明，功率放大器的結(jié)溫每升高9 ℃，功率射頻模塊故障率提高一倍，電子產(chǎn)品的溫度每急劇上升10 ℃，可靠性就會(huì)降低50%，因此在設(shè)計(jì)之初須充分重視散熱問(wèn)題[3-4]。

近年來(lái)，在LTCC 基板上開展微流道散熱技術(shù)研究逐漸得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，陳品等人對(duì)LTCC中內(nèi)嵌大功率芯片的微流道基板散熱效果進(jìn)行了仿真研究，得出當(dāng)基板與空氣的對(duì)流系數(shù)達(dá)到160 W/(m2·K)時(shí)，要想繼續(xù)提高散熱效果，則應(yīng)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)模型參數(shù)[5]，李松和王皓等人對(duì)V 型微流道基板的溫度分布與入口水流速和流道尺寸的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)仿真得出入口水流速增大、微流道的寬度與占空比減小，散熱效果越好[6]。本文以LTCC基板內(nèi)的微流道為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同微流道結(jié)構(gòu)，采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)其進(jìn)行了熱-流耦合仿真分析，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真結(jié)果加工制備試驗(yàn)樣件。

2 微流道散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的LTCC 內(nèi)嵌微流道系統(tǒng)分為3 種：直通型、螺旋型、蛇型。如圖1 所示，矩形為流體進(jìn)口，三角形為出口，進(jìn)出口流道寬為芯片下流道的2 倍。為說(shuō)明微流道結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性能的影響，并保證變量的唯一性，建模時(shí)采用相同尺寸的微流道橫截面及流道總長(zhǎng)度。

圖1 不同結(jié)構(gòu)微流道示意圖

設(shè)計(jì)的LTCC 基板以30 層FERRO A6-M-E 生瓷片燒結(jié)而成，微流道置于6～12 層，熱源芯片置于基板上表面。由于燒結(jié)后LTCC 基板自身的導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為3 W/(m·K)。因此本文在微流道與芯片之間LTCC 基板中制造高密度的導(dǎo)熱通孔，材料為金，模型整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，尺寸參數(shù)如表1 所示。

圖2 基于LTCC 的微流道結(jié)構(gòu)

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3 微流道傳熱特性研究

考慮對(duì)于非太空中功率芯片的散熱，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是最主要的熱交換方式，因此在熱-流耦合仿真時(shí)對(duì)模型施加邊界條件：熱源熱流密度為14 W/cm2，空氣自然對(duì)流，流體設(shè)置為水，入口邊界條件為速度進(jìn)口（velocity-inlet），流速取0.012 m/s，出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），數(shù)值恒定為0，系統(tǒng)初始溫度300 K。材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

有限元熱仿真分析結(jié)果如圖3 所示，在無(wú)微流道作用時(shí)，模型最高升溫137 K，最高溫度位于芯片中心。在0.012 m/s 進(jìn)口流速下，相比于直通型流道80 K的溫升，蛇型以及螺旋型流道溫升較低，溫升分別為74 K 及73 K。主要由于該兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折點(diǎn)多，流體在轉(zhuǎn)折處流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)回流，流體與壁面接觸時(shí)間更長(zhǎng)，增加了流體與壁面的換熱時(shí)間，因此散熱效果更好。

對(duì)進(jìn)口流速取0.002～0.102 m/s 范圍，仿真結(jié)果如圖4 所示，隨著進(jìn)口流速的增加，溫升逐漸降低，當(dāng)流速增加到一定程度時(shí)，溫度變化便不再明顯，且在低流體流速時(shí)螺旋型散熱效果比蛇型散熱效果略好，隨著流速的增大蛇型散熱效果漸漸優(yōu)于螺旋型流道結(jié)構(gòu)。

隨后基于“非洲生態(tài)空調(diào)”通過(guò)改變進(jìn)出口兩邊壓強(qiáng)來(lái)達(dá)到降溫的思想，研究進(jìn)出口尺寸變化對(duì)散熱的影響。以蛇型流道為例，分別改變微流道進(jìn)口和出口寬度為0.5 mm，其他參數(shù)及邊界條件與前述一致。熱-流耦合仿真結(jié)果如圖5 所示，進(jìn)出口流道尺寸均為0.5 mm×0.5 mm 時(shí)溫升88 K，壓降30.3 Pa；在進(jìn)口改為0.5 mm×1 mm，出口為0.5 mm×0.5 mm 時(shí)溫升68 K，壓降49.8 Pa；進(jìn)口為0.5 mm×0.5 mm，出口為0.5 mm×1 mm 時(shí)出口流道尺寸溫升92 K，壓降21.8 Pa。同時(shí)對(duì)比前述74 K 的溫升，可以得出結(jié)論：進(jìn)口尺寸越大散熱效果越好，出口尺寸增大散熱效果降低。

圖3 不同結(jié)構(gòu)溫度分布

圖4 不同進(jìn)口流速對(duì)溫升的影響

綜合考慮，選擇蛇型流道結(jié)構(gòu)制備試驗(yàn)樣件，進(jìn)口截面積0.5 mm×1 mm，出口截面積0.5 mm×0.5 mm。

4 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)制備的基于LTCC 微流道實(shí)物，搭建如圖6 所示的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，此系統(tǒng)中散熱流體用純凈水，直流電源為DPS8300，驅(qū)動(dòng)泵應(yīng)用壓電泵，溫度測(cè)試應(yīng)用FLUKE 溫度計(jì)。環(huán)境溫度25 ℃，測(cè)試中加熱電阻阻值100 Ω，用來(lái)模擬功率芯片并通過(guò)調(diào)節(jié)加載在加熱電阻上的直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)加熱片的功率，設(shè)置直流電壓12 V（功率1.44 W）。

圖5 流道進(jìn)出口尺寸對(duì)散熱的影響

通過(guò)換熱測(cè)試試驗(yàn)，基于LTCC 的蛇型微流道在未開啟水流時(shí)熱阻溫度達(dá)到149.3 ℃，在流道入口流速設(shè)定為0.012 m/s 后最高溫度96.1 ℃，溫升從124.3 K 降低到71.1 K，降低溫升42.8%，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)溫升從137 K 降低到68 K，降低50%，散熱效果良好。數(shù)據(jù)的差異主要因?yàn)閷?duì)于熱阻來(lái)說(shuō)，功率未能100%轉(zhuǎn)化為熱量，因此未開啟流道時(shí)最高溫度相比仿真數(shù)據(jù)略低。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)3 種不同結(jié)構(gòu)微流道的LTCC 基板有限元模型進(jìn)行熱-流耦合仿真，在邊界條件與熱源功率相同的情況下，分析流道入口流速以及流道進(jìn)出口截面對(duì)芯片溫升的影響，確定了蛇型微流道結(jié)構(gòu)散熱效果較好，且進(jìn)口尺寸增大散熱效果變好，出口尺寸增大散熱效果降低；并以此加工制備基于LTCC 的微流道結(jié)構(gòu)實(shí)物，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表示在1.44 W 功率下最高溫升124.3 K，在設(shè)定水流流速為0.012 m/s 后溫升降低到71.1 K，散熱效果顯著。