基于新工藝技術的高功率裸芯片模塊微流體系統的散熱技術

李麗丹 錢自富 張慶軍 劉壓軍 李 治 李 鵬

(四川九洲電器集團有限責任公司 綿陽 621000)

隨著電子設備小型化和高性能的發展趨勢,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升高。功率芯片產生的熱量不能及時散發,設備長期在高溫工況下工作,會直接影響器件的工作壽命,甚至直接失效[1-2]。隨著溫度的升高,電子設備的可靠性和平均故障時間(mean time between failures, MTBF)急劇下降,其失效概率呈指數增長趨勢[3]。因此如何提升芯片散熱能力是學者們研究的重點問題。

芯片的散熱能力直接關系到系統性能,電子設備中常用的散熱方式如表1所示[4]。相比傳統散熱技術,微流體散熱技術能夠提供更大的傳熱面積和更高的傳熱系數,且易于集成在芯片模塊內部,從而提高芯片散熱性能[5-6]。

表1 不同散熱方式對比

D. B. Tuckerman等[7]在1981年首次提出微通道散熱器的設計思路,研究設計了平行直流道的微通道散熱器,在芯片上可實現790 W/cm2的散熱量。表明微通道散熱器可解決高功率熱流密度器件的散熱問題,為電子芯片的散熱提供新思路。在此之后,國內外學者對微通道散熱進行了更加全面、系統的研究[8-15],聚焦于微通道的結構、尺寸、形狀的優化設計等諸多方面,如多孔介質、分形網絡等微流體散熱系統裝置。研究目的主要為兩方面:1)不斷提高系統的散熱能力;2)盡可能減小熱阻[16]。使電子元器件的溫度始終在其運行工作范圍內,確保其工作的穩定性和可靠性。

本文設計了一種自閉環一體化微流體散熱系統。一方面采用裸芯片共晶焊接到熱沉,熱沉共晶焊接到功率模塊腔體,有效降低裸芯片到功率模塊腔體的傳導熱阻;另一方面,采用一體化設計方式將微通道散熱器集成于功率模塊腔體內部,并將微流道設計為交聯流道的形式,進一步增加散熱能力。

1 原理分析

1.1 微系統的工作原理

微系統主要由循環泵、微通道散熱器、裸芯片、熱沉、換熱器、流體管路以及內部工質等組成。壓電微泵驅動換熱介質在管路中流動,整個系統通過換熱器與外界進行熱交換。當裸芯片工作時,微通道散熱器從裸芯片吸收熱量,通過管路中的散熱介質把熱量傳輸給換熱器,最終將熱量散給外界環境。系統工作原理如圖1所示。

圖1 高功率裸芯片模塊微流體散熱系統工作原理

1.2 裸芯片低熱阻傳熱設計

熱傳導過程如下:

R=L/(KcA)

(1)

Q=ΔT/R=ΔTKcA/L

(2)

式中:R為熱阻,K/W;L為材料的厚度,m;Kc為接觸面等效導熱系數,W/(m·K);A為接觸面積,m2;ΔT為兩接觸面的溫差,℃;Q為傳導過程的總熱量,W。

由式(1)、式(2)可知,接觸傳導產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,而傳遞過程中的熱阻與材料的厚度以及導熱系數密切相關。在相同傳導面積下,熱傳導路徑越短,材料導熱系數越高,熱傳導熱阻越低。裸芯片的傳統安裝方式如圖2所示。裸芯片采用AuSn焊接在鎢銅墊片上,鎢銅墊片再通過導電膠粘接在功率模塊腔體底部。功率裸芯片與散熱系統為接觸熱傳導散熱,由于路徑上熱阻相對較高,將產生較大溫差。為降低其傳導熱阻,引入導熱系數更高的熱沉,將鎢銅墊片更換為金剛石鋁/金剛石銅,同時采用共晶焊代替傳統膠粘,將有效降低傳熱路徑上的熱阻實現傳熱路徑上的高效傳熱,如圖3所示。

圖2 高功率裸芯片模塊傳統安裝形式

圖3 高功率裸芯片模塊新型安裝形式

相對于傳統的工藝方案,新工藝方案用金剛石代替鎢銅墊片,用共晶焊接代替導電膠,同時在功率模塊腔體中加入微流道散熱器。粘膠及共晶焊接、鎢銅墊片和金剛石的導熱性能參數如表2所示。由表2可知,共晶焊接的熱阻是導電膠熱阻的1/360～1/280。即當傳統方案裸芯片熱沉兩端接觸面溫差為10 ℃時,采用新方案的溫差僅為0.025～0.033 ℃。焊接工藝技術的使用,將有效降低裸芯片到功率模塊腔體的接觸熱阻,有效提升裸芯片的散熱性能。同時,新方案采用共晶焊接可提高裸芯片在功率模塊腔體上的可靠性。

表2 導電膠與共晶焊性能對比

本項目采用Au80Sn20合金共晶的方式(熔點為280 ℃)將祼芯片共晶焊接在熱沉上,然后將焊接后的組件通過Sn63Pb37共晶的方式焊接在微通道腔體上,并將芯片與熱沉焊接層的空洞率控制在10%之內以及熱沉與腔體焊接層的空洞率控制在15%之內,保證其熱阻較小。

2 實驗裝置

為驗證微流體散熱系統的實際散熱性能,需搭建測試系統,測試了環境溫度為70 ℃時微流體散熱系統的散熱能力,測試系統中采用的設備主要有:

1)功率模塊,實物如圖4所示,上層采用透明的玻璃蓋板,便于觀察裸芯片的工作情況。功率模塊腔體的材料選用為AlSi42,導熱系數為140 W/(m·K),具有加工性能好、成本低等優勢。功率模塊腔體內部微流道有兩種設計模式:模式一是在平直流道上進行3次打斷設計,為交錯型流道,寬度設計為0.8 mm,高度為1 mm,當量直徑為0.89 mm,如圖5(a)所示;模式二為平直流道,尺寸大小與模式一相同,如圖5(b)所示。

圖4 功率模塊實物

圖5 功率模塊腔體內部微流道設計

2)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公司第13研究所制造,焊接溫度小于300 ℃時,可保證芯片的正常工作,不會因為溫度過高造成芯片被燒毀,芯片尺寸為3.6 mm×3.5 mm×0.1 mm(長×寬×高),當漏壓設置為28 V、柵壓設置為最大-2 V、靜態電流為2.5 A、最大靜態功率為70 W時,芯片表面積為0.126 cm2、最大表面熱流密度可達555 W/cm2、最大結溫為175 ℃。

3)實驗用熱沉材料為金剛石鋁,厚度為200 μm,導熱系數為800 W/(m·K)。

4)換熱器選用40 mm×40 mm(長×寬)風機作為風冷源,對系統中吸收裸芯片熱量升溫后的流體進行散熱,換熱器尺寸為52 mm×41 mm×40 mm(長×寬×高)。

5)壓電微泵流量約為350 mL/min,該微流泵需要可調頻、調壓的驅動電源,以產生相應的偏轉位移。實驗中使用的驅動電源,具有電壓、頻率便捷可調的功能。

6)儲液器在系統中起到補償冷卻液損失和排空氣的作用。系統中使用的循環冷卻介質為AF65航空冷卻液,該冷卻液具有顯著的低溫性能和防腐蝕性能,在航空、火箭、雷達電子設備等應用領域使用廣泛。

7)穩壓直流電源為整個系統供電,K型熱電偶測試器件表面溫度,測試精度為±0.1 ℃,OMEGA溫度數據采集儀采集及處理熱電偶測試數據。

根據GJB 150.3A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[17],軍用機載設備最嚴酷的使用環境溫度為70 ℃,因此將整個測試系統放置在70 ℃的高溫箱內,測試平臺如圖6所示。

圖6 測試平臺

實際測試過程中因芯片面積較小,且芯片上分布壓點,熱電偶傳感器無法粘貼在芯片上進行測量,而紅外測量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。為了獲得芯片最高溫度,對微流體散熱系統進行仿真,通過仿真得到的監測點和芯片的溫度差來近似代替實驗測試的監測點和芯片的溫度差,再加上實驗獲得的監測點的溫度獲得芯片最高溫度。

圖7 溫度監測點

3 結果分析

3.1 實驗分析

3.1.1 交聯流道散熱器在熱流密度為80 W/cm2下的溫度測試

實驗過程中,設置熱流密度為80 W/cm2(裸芯片功率為10 W),在不開液冷泵的條件下讓裸芯片在70 ℃的高溫箱中持續工作,記錄觀察點溫度,直至監測點溫度達到穩定狀態后開啟液冷泵,讓冷卻液循環整個系統,給腔體內的裸芯片散熱。圖8所示為監測點溫度的變化。由圖8可知,高溫箱溫度為70 ℃且不開液冷泵時,裸芯片以10 W的功率持續工作,監測點溫度由70 ℃不斷升高,在約755 s時監測點溫度達到平衡約為97.8 ℃。此后開啟液冷泵對裸芯片進行循環冷卻散熱,監測點溫度迅速下降,穩定后溫度為71.7 ℃,溫升僅為1.7 ℃。相比不進行循環冷卻的狀態,裸芯片的溫度下降26.1 ℃,由此可知在新工藝狀態下的微流體系統具有較高的散熱能力。

圖8 熱流密度為80 W/cm2時監測點溫度

3.1.2 交聯流道與平直流道散熱器在多種熱流密度下的散熱分析

開啟液冷泵,改變裸芯片上的熱流密度(裸芯片功率),觀察監測點的溫度變化。圖9(a)所示為熱流密度為160 W/cm2(裸芯片功率為20 W)、320 W/cm2(裸芯片功率為40 W)時,交聯流道與平直流道散熱器監測點溫度隨時間的變化;9(b)所示為熱流密度為240 W/cm2(裸芯片功率為30 W)、360 W/cm2(裸芯片功率為45 W)時,交聯流道與平直流道散熱器監測點溫度隨時間的變化。由圖9可知,熱流密度為360 W/cm2時,交聯流道和平直流道散熱器監測點的最高溫度分別為80.5、83.8 ℃,兩種微通道散熱器的最大溫升均在15 ℃以內,表明微通道散熱器具備良好的散熱能力。由圖9還可知,在相同時間、功率密度狀態時,功率模塊在平直流道下要比交聯流道下監測點溫度偏高;在熱流密度較高為320、360 W/cm2時,交聯流道與平直流道監測點溫度的溫差比熱流密度為160、240 W/cm2時更高。表明交聯流道散熱器的散熱能力高于平直流道,尤其在熱流密度較高的情況。這是由于交聯微通道是一種基于熱邊界層中斷理論設計的具有交錯結構的新型微通道結構,針對傳統的平直微通道將部分流道進行打斷,使工質在流動方向上的邊界層重新發展,產生連續的入口發展段熱流動邊界層[18-19],代替平直微通道中的穩定邊界層,從而提高散熱器的散熱性能。

圖9 不同熱流密度狀態下溫度監測點的變化

本文后續實驗和仿真設計均采用具有交聯流道散熱器的功率模塊。

3.2 實驗仿真對比分析

設置仿真環境溫度為70 ℃,對熱流密度為80、160、240、320、360 W/cm2時,整個微通道散熱系統進行散熱仿真。選取熱流密度為80 W/cm2時系統的散熱仿真進行分析。熱流密度為80 W/cm2時,系統的溫度分布云圖如圖10所示。由圖10(a)可知,整個系統的最高溫度為86.9 ℃,最低溫度為71.2 ℃;由圖10(b)～圖10(d)可知,功率模塊上最高溫度出現在中間芯片的發熱位置,裸芯片的最高溫度為86.8 ℃;由圖10(e)、10(f)可知,裸芯片上的最低溫度為79.8 ℃,整個系統的最高溫度出現在裸芯片正面中心處。

圖10 熱流密度為80 W/cm2時散熱系統的溫度云圖

將5種熱流密度下的仿真結果與實驗得到的監測點溫度進行對比,結果如表3所示。由表3可知,隨著熱流密度的增加,實驗監測點溫度和仿真監測點溫度也隨之增加;同時,仿真監測溫度與實驗監測溫度之間的誤差也增加,最低誤差為2.71%,最高誤差為7.16%,監測點的偏差均在8%以內,仿真結果可靠。在熱流密度為360 W/cm2時,芯片達到最高溫度144 ℃;當熱流密度為320 W/cm2時,芯片最高溫度為136 ℃。根據GJB/Z 35—1993《元器件降額使用準則》[20]Ⅱ級降額要求,裸芯片的最高結溫為200 ℃,按照Ⅱ級降額標準最高溫度應不超過140 ℃,即在熱流密度為360 W/cm2時,芯片最高溫度超過了Ⅱ級降額最高溫度,新工藝下的微流體散熱系統已無法解決。此微流體散熱系統可解決320 W/cm2熱流密度的熱耗。

表3 不同熱流密度下實驗仿真結果對比

4 結論

本文設計了一種自閉環一體化微流體散熱系統,并采用新工藝技術降低了熱量從裸芯片到功率模塊腔體的傳導熱阻。得到如下結論:

1)采用共晶焊接替代傳統的導電膠粘接模式,新工藝設計方法使得熱阻僅為傳統工藝熱阻的1/360～1/280。

2)熱流密度為80 W/cm2時,具備循環冷卻微通道散熱器的裸芯片溫升,相比于傳統無微通道狀態,溫度降低26.1 ℃。

3) 利用芯片內嵌微通道技術,將微通道散熱器集成于功率模塊內部,設計了具有交錯結構的交聯微通道和普通平直結構的微通道。在多種熱流密度狀態下(熱流密度為80～360 W/cm2),具備交錯結構的微通道其散熱能力要比平直結構更強。

4)環境溫度為70 ℃時,多種熱流密度工況下,仿真和實驗的最大偏差在8%以內,表明仿真結果可靠。通過實驗和仿真分析可知,具備新工藝技術和微流道循環冷卻系統的高功率裸芯片,可解決320 W/cm2熱流密度的裸芯片散熱,具備較強的散熱能力。