LTCC中埋置大功率芯片散热的三维有限元分析

陈 品，吴兆华，黄红艳，张 生，赵 强

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004）

1 引言[1]

随着军事电子技术的飞速发展，微波组件的小型化、高性能化、多功能化已成为必然趋势，微波组件内部元器件集成度高，组件的体积小，其单位体积内的功率消耗不断增大，导致元器件发热量增加、温升突出,散热较为困难。为了确保大功率芯片微波组件高可靠性、性能稳定、寿命长，有必要对其热场分布和散热进行分析研究。

微波组件的热设计一般是先通过数值模拟技术，分析不同散热方式下微波组件的温度分布情况，对微波组件的几何参数和材料选择进行优化；然后在模拟的基础上，建立等效的实验装置进行试验，采用先进的测试技术和仪器（如红外热像仪和时间分辨红外辐射仪）测量装置的温度分布，验证模拟的准确性。数值模拟技术是基于温度场微分方程的有限差分或有限元求解上的。随着CAD和CAE技术的发展，很多大型有限差分和有限元软件（如ANSYS、FLOTHERM等）已经商业化，这促使数值模拟技术在电子封装热设计中得到了广泛的应用[2]。本文采用有限元分析软件ANSYS建立了一种适用于特定需求的在低温共烧陶瓷基板（LTCC）中埋置大功率芯片微波组件的热模型，分析了在空气自然对流和强迫对流情况下，三维微波组件有限元模型的温度场分布和散热状况，并研究了封装热阻和空气强迫对流系数对模型的温度分布和散热状况的影响。

2 研究内容

2.1 计算模型

根据特定需求，也为了计算方便，先对模型做如下假设：

（1）芯片作为主要热源，忽略电流流过电阻和连线时产生的热量；（2）假设灌封体表面、芯片表面与周围空气对流热交换系数为常数；（3）芯片引脚为翼型，对热传导影响很微小，可忽略不做建模，基于此建立了一种LTCC中埋置大功率芯片的三维有限元模型，图1（a）和（b）分别为该模型的截面图和未用灌封胶灌封的俯视图。

其中D1～D4为大功率芯片，采用金锡焊片直接粘贴在钼铜片上，位于基板四周，大功率芯片距离基板边距均为2mm，芯片之间的中心距X轴方向上为12mm，Y轴方向上为13mm，其他六个小功率芯片均匀分布，采用导热胶粘结在LTCC基板上，基板通过层压方式与下方的铝合金冷板相接，从基板向上整体用灌封胶灌封，以达“三防”标准，各芯片、金锡焊片、钼铜片、基板和冷板的尺寸如表1所示。采用有限元软件ANSYS建立的三维有限元模型和网格划分图如图2所示。

整个有限元模型由232 788个单元和172 908个节点组成，模型中所采用的材料和对应的热导率如表2 所示[4]。

模型的热边界条件为：大小功率芯片功耗为发热源，D1～D4大功率芯片功耗均为8W，D5～D10小功率芯片功耗均为0.03W，总功耗为32.18W；内部材料之间通过传导进行传热，服从傅里叶传热定理；热模型外部（灌封胶、基板、大冷板）通过与空气的对流和辐射进行散热，其空气对流散热服从牛顿冷却定理。在空气自然对流传热情况下，取对流传热系数为15W.m-2K-1, 在空气强迫对流情况下，大冷板与空气之间的对流传热系数可从文献[3]和[7]中计算得到。

2.2 计算结果与分析

图3（a）、（b）、（c）、（d）分别是在自然对流情况下热模型的整体温度分布图、芯片温度分布图、内部温度分布图和热流密度矢量图。

从图中可以看出，热分析模型的最高温度出现在大功率芯片的中心位置，四个大功率芯片的中心温度基本是一致的，为299.141℃，其余六个小功率芯片的温度基本相等。最低温度出现在大冷板的四角处。评价热传导通路的阻碍性，一般通过封装热阻来评价封装组件的热特性，并以此来预测不同功率分布下的结温[6]。由于LTCC基板中埋置的大功率芯片不是单热源，国外学者Bar-Cohen[5]在假定组件内所有功率器件均是相同尺寸及功耗时，提出了一个平均热阻θja-avg概念，即把所有功率器件视为一个整体，考虑其平均结温（Tj-avg）和封装内的总功耗（Q），如公式（1）所示。

其中Ta为环境温度。

在自然对流情况下，芯片的平均结温Tj-avg为295.521℃，环境温度Ta为20℃，封装内的总功耗Q为32.18W，则：

由上式计算结果可知，芯片最高结温到环境的热阻比较小，由于在大功率芯片底座下使用了高热导率的钼铜片和散热面积大的铝合金大冷板，因此芯片的大部分热量是通过芯片底面的金锡焊片直接传导给钼铜片和铝合金大冷板，从而扩散到环境中。

这种热量传导的方式由芯片温度场矢量图可以看出，芯片产生的大部分热量是通过钼铜片和铝合金大冷板扩散到环境中的，其中一部分热量向四周扩散与其他芯片产生热场耦合，少部分热量通过灌封胶扩散和辐射到环境中。由于热模型的对称性，温度场的分布基本上是与通过大功率芯片的对角线呈对称分布。

根据牛顿冷却定理和斯蒂芬-波尔兹曼辐射定理，计算出了热模型的热平衡，其散热分布如表3所示。

由表3可以看出，热量通过热传导方式到达铝合金大冷板和基板边缘以及灌封胶顶部，通过热对流和热辐射散出的热量总和为33.187W，与输入的32.18W相差1.007W，误差为3.13%，其中通过铝合金大冷板底部对流散出的热量最大，为27.931W，占整个输入的84.16%，这主要是由于钼铜片和铝合金的导热系数高、芯片结温到环境的热阻较小，且大冷板的面积较大，大部分热量都通过大冷板散发到环境中；通过灌封胶散出的热量为3.331W，占15.84%；在整个散热分布中，对流散热占88.93%，为主要的散热方式，辐射散热所占比例较小，仅为11.07%。

另外还可以看出，在对流散热中又以大冷板对流散热为主，在辐射散热中也以大冷板的辐射散热为主，主要是由于大冷板的辐射面积较大。由于基板以上部分都被灌封，无空气传导热量，所以基板不考虑散热。

3 模型散热改善分析

根据上述计算结果得知，模型整体的最大结温为285.092℃，已经超过了封装芯片温度的允许值，为了使这种大功率的微波组件能够正常工作，需对其散热性能进行改善，根据项目特定需求，大功率微波组件基板及以上部分置于密封装置中，因此，只可对大冷板进行散热性能的改善。笔者提出一种常见的增强散热的措施：对大冷板底部施加强迫空气对流，并对这种情况下微波组件模型的热分布进行了模拟。

图4为大冷板底部加载了空气强迫对流时，模型整体最大结温与不同空气强迫对流系数之间的关系。

从图4可以看出，采用空气强迫对流可以显著降低整体模型最大结温，随着空气强迫对流系数的增加，最大结温呈下降趋势，这是由于空气的快速流动带走了从芯片传导到大冷板表面的热量，如在空气强迫对流系数为150W.m-2K-1时，最大结温为83.414℃，通过计算得知通过大冷板对流散热量为30.5W，占了整体散热的91.9%，主要是因为大冷板与环境的接触面积大，且其导热系数大。当空气强迫对流系数达到160W.m-2K-1后，温度的下降趋势将出现减缓，这主要是因为微波组件中的发热芯片结温到环境的内部热阻制约了散热通道，这需要从芯片材料以及内部封装材料、结构进行优化选择，才能进一步降低最大结温。

如果以芯片的最高温度小于85℃作为设计标准，通过模拟计算可知，对于这种结构的埋置于LTCC中的大功率微波组件，在空气强迫对流系数为160W.m-2K-1时，最大可以承受32W的大功率芯片和0.8W的小功率芯片。这些研究结果对大功率微波组件的芯片热设计有重要意义。

4 结论

采用有限元分析软件ANSYS对一种适用于特定需求的三维LTCC微波组件热模型在空气自然对流下的温度分布和散热情况进行了模拟分析，分析结果表明：增加冷板散热面积和增大芯片接触材料的热传导系数是散热关键，当冷板面积增大到基板面积的3倍以上时，散热效果将不明显。定量分析了空气强迫对流系数与整体最大结温的关系，结果表明：这种结构的整体最大结温在空气对流系数达到160W.m-2K-1时，降温效果将不再显著，需要从间接水冷或者从封装体里的结构参数方面加以考虑。以上研究结果对LTCC基板中埋置大功率芯片的热设计具有重要意义。

［1］王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社.2006：171-208.

［2］程迎军，罗乐，等.多芯片组件散热的三维有限元分析[J].电子组件与材料.2004, 23（5）.

［3］张建荣, 刘照球. 混凝土对流换热系数的风洞实验研究[J].土木工程学报，2006, 39（9）.

［4］Teoh King Long, Goh Mei Li, Seetharamu K N, et al. A fresh look at thermal resistance in electronic packages [A]. Proceedings of IEEE 2000 Electronic Packaging Technology Conference [C]. 2000.124.

［5］A.Bar-Cohen. Thermal Management pf Air-and-Liquid-Cooled Multiple Modules[C]. IEEE Transactions On Components, Hybridd and Manufacturing Technology,1987.

［6］张琴.多热源耦合场下多芯片组件的热分析研究[D].成都：电子科技大学,2004.

［7］http：//www.laolin.com/ssgg/cutetea/ch3/MBC.htm[EB/OL].