高集成电路模块的高速空气射流冷却技术研究

辛晓峰，钱吉裕，周 仝，刘明罡

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

高集成电路模块的高速空气射流冷却技术研究

辛晓峰，钱吉裕，周 仝，刘明罡

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

高集成电路模块具有结构紧凑、组装密度大、体积热流密度高、热设计空间小的特点，无法采用常规风冷或常规液冷的冷却方式。针对这一特点，文中提出了一种高速空气射流冷却方法，并结合仿真与试验进行研究。结果表明，该冷却方式能够解决高集成电路模块的热设计问题，为其他类似电子器件的散热问题提供了参考。

高集成电路模块；热设计；高速空气射流；冷却

引 言

由电子元器件组建的各种系统在通信、交通、航空航天、军事武器系统等国民经济各个方面起着至关重要的作用，推动着国家和社会的发展进步。集成电路的集成度每3年增长4倍，特征尺寸每3年缩小2倍。随着微电子技术特别是军用电子和微波器件的飞速发展，以及军用高功率密度器件和微波器件的使用，电子设备功率密度越来越大，单位体积容纳的热量越来越高[1-3]。有资料表明，器件的工作温度每升高10 ℃，失效率增加1倍[4]。不合理的热设计会引起电路组件局部过热，超过半导体芯片可承受的结温即会烧毁。半导体芯片的可靠工作与温度关系极大，在较高温度下工作的半导体器件不仅可靠性下降而且输出功率也会大大降低。同时，随着集成电路规模和电子组装密度的不断提高，单位体积容纳的热量越来越高，热设计空间越来越小，必须考虑高效、可靠的热设计方法。

本文根据结构功能一体化的设计要求，创新地采用了高速空气射流冷却的方法对高集成电路模块进行散热设计，结合仿真与试验进行研究，成功地应用于某集成电路模块的调试。

1 结构介绍

某毫米波组件厚约5 mm，在约40 mm的宽度上均布8个功率管(单管热耗约1.4 W)，在靠近功率管的前端部分用螺钉压接尺寸为40 mm(宽)×10 mm(长)×1 mm(厚)的功能底板。其主要热构件分布如图1所示。

发热功率管芯片自上至下的热通路如图2所示，发热芯片(热点)与LTCC(低温共烧陶瓷)焊接，LTCC与组件底板焊接，三者形成一个独立、密封的腔体，厚约4 mm。组件底板与结构底板(厚约1 mm)采用螺钉压接，腔体、结构底板及功能底板组成一个组件，多个组件层叠排列，形成一个高集成电路模块。

图1 毫米波组件主要热构件分布示意图

图2 发热芯片至结构底板热通路示意图

该模块的组件排列紧密，组件间无间隙，无传统热设计空间。功能底板伸出组件端面约7 mm，板间空隙约3 mm，本文的高速空气射流冷却即为对该部分功能底板吹强风进行冷却。

2 仿真计算

为分析各种工况下的温升结果，通过工程热设计软件FloTHERM建立了仿真模型，对传热和散热进行了仿真分析。

2.1 无主动散热措施

无主动散热措施的高集成电路模块实际工作时间要求约1 min左右。在这种情况下，功率管产生的热量主要通过结构件本身的热容来消耗。温升与持续时间成正比：Q=Pt，Q为总热容，P为发热功率，t为持续时间。

图3给出了无主动散热措施时组件功率管壳温和结构底板温度随时间变化的曲线。仿真初始温度为20 ℃，1 min后结构底板温度为58 ℃，温升约38 ℃。

图3 无主动散热措施时的温升曲线

2.2 高速空气射流冷却

该高集成电路模块的实际工作时间仅为1 min，此时仅需考虑结构件热容大小，基本不需要考虑主动散热措施。但是，该模块的调试阶段需要长时间工作，此时必须考虑雷达的主动散热措施。模块组件部分排列紧密，组件间无间隙，无热设计空间，体积热流密度大，普通风冷或液冷无可设计空间，必须考虑其他方法。

本文采用高速空气射流冷却对功能底板进行强风冷散热，不同风速条件下的仿真结果如图4所示。

图4 高速空气射流冷却温升曲线

从图4可以看出，约10 min后组件温度变化趋于稳定。来流速度50 m/s时，功率管壳温可达125 ℃，结构底板温度87 ℃；来流速度60 m/s时，功率管壳温为118 ℃，结构底板温度为80 ℃。温度场与速度场如图5所示(来流风速50 m/s)。

图5 来流风速50 m/s时的温度场及速度场

3 试验验证

3.1 无主动散热措施

图6为无主动散热措施的热电阻模拟试验组件，两排发热电阻用来模拟发热点位置变化，试验中仅给前排发热电阻加电。试验结果如图7所示，加电1 min时结构底板最大温升约为35 ℃，与仿真结果38 ℃接近。

图6 无主动散热措施的试验验证

图7 无主动散热措施试验的温升曲线

3.2 高速空气射流冷却

为方便测试、减小误差，将多个组件试验件依次叠放排列，并在组件周围做好保温措施，仅留功能底板(伸出阵列组件约7 mm)，风口设计等如图8所示。

图8 功能底板阵列的高速空气射流冷却试验

试验结果如图9所示，供风风速为48 m/s，温度20 ℃，10 min后结构底板温度基本稳定在85 ℃～90 ℃之间，与风速50 m/s的仿真结果87 ℃接近。

图9 高速空气射流冷却试验的温升曲线

试验过程中没有发现功能底板在强风条件下的震颤等现象，稳定性好。

4 结果分析

仿真结果和试验结果较为接近，互相佐证。高速空气射流冷却方式可较好地解决某高集成电路模块的散热问题。但在设计时需要考虑强风条件下的结构件稳定性问题，功能底板不能太长，否则可能发生震颤，影响功能底板的电讯性能。

5 结束语

通过仿真和试验相结合的方法研究了某高集成电路模块的热设计。该模块的主要热设计特点为：无热设计空间，体积热流密度大。根据结构功能一体化设计思路，通过功能底板的高速空气射流冷却有效地解决了组件散热问题。给某高集成电路模块的热设计提供了较好的方法，并为其他类似电子器件的散热设计提供了参考。

[1] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(上)[J]. 电子机械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] 杨邦朝, 熊流锋, 杜晓松, 等. 集成电路封装的三维热模拟与分析[J]. 功能材料, 2002, 33(1): 67-69.

[3] 余咏梅. 高密度陶瓷封装外壳散热问题探讨[J]. 电子与封装, 2006, 6(7): 25-27.

[4] OZMAT B. Interconnect technologies and the thermal performance of MCM[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1992, 15(5):860-869.

辛晓峰(1982-)，男，博士，主要从事电子设备的热设计、环境控制等方面的研究。

关于召开“电子设备振动环境适应性设计”专题研讨会的通知

为帮助电子产品结构设计人员和振动等环境检测人员深入研究振动工程设计、振动检测和振动控制等相关内容，中国电子学会电子机械工程分会决定于2013年9月13日～9月16日在南京召开“电子设备振动环境适应性设计”专题研讨会，特邀季馨教授系统讲解振动环境对电子设备电性能的可靠性和长寿命影响机理，提高电子设备抗振动设计的理论及典型隔振系统的力学特点、常用隔振器特性和新型隔振器设计方法，振动等环境试验方法及评价准则等内容。并进行实验室现场演示及互动交流活动。欢迎大专院校、企事业单位、科研院所等从事电子产品结构设计人员和振动等环境检测人员参加。

联系人：尹翔陵 联系电话：025-51821008 手机：13851458685

中国电子学会电子机械工程分会

Study on High Velocity Air-jet Cooling of Compact Integrated Circuits

XIN Xiao-feng，QIAN Ji-yu，ZHOU Tong，LIU Ming-gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Compact integrated circuits have the characteristics of compact structure, high heat-flux density and very limited space for thermal design, which makes regular cooling methods such as air cooling and liquid cooling not applicable. In this article, a high velocity air-jet cooling method for compact integrated circuits is presented, both numerical simulation and experimental study are carried out. The results show that the high velocity air-jet cooling method meets the demands of the thermal design of compact integrated circuits, and provides a reasonable reference for the cooling design of similar electronic devices.

compact integrated circuits; thermal design; high velocity air-jet; cooling

2013-07-25

TK172

A

1008-5300(2013)04-0022-03