硅基微流道高效散热技术在宽带微波收发组件中的应用

2021-08-19向伟玮李阳阳

电子与封装 2021年8期

向伟玮，张剑，卢茜，李阳阳，董乐

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

随着雷达、通信和电子信息控制等电子装备朝着作用距离更远、体积更小的方向持续发展，其微波前端、脉冲功率源等核心部件的输出功率迅速增大、集成度显著提升，功率芯片的发热量急剧增大。如果散热能力不足，会导致芯片温度上升，从而导致电子装备的性能下降，寿命缩短。普通的被动散热技术和传统的主动液冷散热技术都无法满足大功率芯片的散热需求。需要采用微流道高效散热技术，利用微流体的增强散热效应实现高效散热[1-4]。

微流体的散热能力与流道的当量尺寸成反相关：微流道的当量尺寸越小，流体的微尺度换热效应越强。研究表明，为了实现数百瓦每平方厘米甚至千瓦每平方厘米的高效散热能力，需要微流道的流道宽度在数十微米量级，流道的深宽比需超过5∶1[5]。普通的加工工艺难以满足要求，基于深硅干法刻蚀工艺制备的硅基微流道散热器成为了高效散热的最佳选择之一。

国外Tuckman和Pease最早提出使用硅基微流道散热器实现电子器件的冷却；IBM、Cooligy公司和DARPA也在开展硅基微流道散热技术的研究[2]。国内北京工业大学夏国栋教授团队研制的硅基微流道散热器散热能力达到300 W/cm2；上海交通大学王艳等研究团队也开展了硅基微流道散热器的相关研究。

然而，硅作为半导体材料，将其取代金属热沉应用于微波组件时，其寄生效应会影响微波功率芯片接地，进而影响微波芯片的性能，甚至导致微波芯片出现自激或烧毁现象。如何对硅基微流道散热器进行处理，使其满足微波芯片的应用需求，是硅基微流道高效散热技术在宽带微波领域应用的关键问题。目前，相关的报道还比较少。

本文主要介绍了硅基微流道散热器并表征其散热能力，在此基础上通过对硅基微流道散热器进行仿真，确定了合适的散热器表面处理方式，使其满足射频器件可靠接地的应用要求；并将硅基微流道散热器集成在2~6 GHz宽带大功率收发组件（TR组件）中，测试其饱和输出功率。

2 微流道散热器及其散热性能分析

本文使用图1所示的微流道散热器与芯片集成结构。通过将大功率热源芯片集成在微流道散热器表面，利用散热器中的微流体实现高效散热。通过大功率芯片内置的温度传感器测量芯片表面的温升，从而表征该集成结构的散热能力。

图1 微流道散热器与芯片集成结构

图2 所示为本文开发的硅基微流道散热器断面扫描电镜图。从图中可以看出，该微流道的典型尺寸为20~30 μm。

图2 硅基微流道断面SEM图

使用水作为冷却工质，对图2所示的硅基微流道散热器的散热能力进行测试，硅基微流道散热性能测试结果见图3，从图中可以发现：

图3 硅基微流道散热性能测试结果

（1）硅基微流道散热器表面芯片温升与芯片表面的热流密度成正比；其热流密度越大，芯片表面温升越高。

（2）硅基微流道散热器显示了非常高效的散热能力，其实测散热能力甚至可超过870 W/cm2。

3 硅基微流道散热器接地性能仿真分析

在雷达、通信、电子信息控制等领域，常用的大功率芯片为GaAs和GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体芯片。该类芯片通常使用射频传输线结构，需要可靠的接地才能实现信号的高效传输。若接地不良，可能导致芯片出现自激或烧毁现象。

本文重点研究整体金属化技术对硅基微流道散热器接地性能的影响。由于真实的宽带大功率微波芯片为多功能芯片，其模型十分复杂，很难对其进行建模仿真分析。本文使用了简化处理的仿真方法，使用射频传输线模拟芯片，对硅基微流道的接地性能进行了仿真分析。将硅基微流道散热器进行表面整体金属化处理，使用HFSS构建仿真分析模型，仿真模型和结果如图4所示。从图中可以看出，该模型的回波损耗小于35 dB；在20 GHz以下，该模型的插入损耗小于0.13 dB。

图4 整体金属化硅基微流道散热器仿真模型和结果

仿真结果表明，在20 GHz以下，整体金属化的接地方式满足宽带微波器件的接地性能要求。也就是使用该种接地方法，满足微波信号正常传输的电磁特性要求。

4 集成硅基微流道的宽带大功率TR组件

本文通过在硅基微流道表面制备连续的金属层，即可将其整体等效为金属，整体金属化的硅基微流道实物如图5所示。同时，该金属化方法满足硅基微流道散热器在TR组件中的可组装性要求。

图5 整体金属化的硅基微流道实物图

为了将流体引入硅基微流道散热器中，本文通过微组装方法，制备了图6（a）所示的集成硅基微流道的2~6 GHz TR组件：

图6 集成硅基微流道的2~6 GHz TR组件实物图和饱和输出功率测试结果

（1）将硅基微流道散热器的进/出液口设置在其底部，方便散热器正面集成大功率器件；

（2）将硅基微流道散热器集成在TR组件的金属封装盒体中；

（3）在金属封装盒体中制备供液流道，并将金属封装盒体与供液盒体通过液冷连接器连接；

（4）在供液盒体内制备分流网络，然后通过液冷连接器实现与外部供液系统的连通；

（5）通过金属封装盒体上集成的射频连接器实现TR组件中微波电路与外部电路的互联；

（6）通过金属封装盒体上集成的低频连接器和金属封装盒体外的PCB电路板和多芯连接器，实现TR组件中低频电路与外部电路的互联。

将水作为冷却工质通入集成硅基微流道的宽带大功率TR组件中，待其稳定后，使用矢量网络分析仪对其饱和输出功率进行测试。试验发现，大功率芯片工作正常，其输出特性符合芯片的参数指标要求，证实了整体金属化技术可满足大功率芯片的接地要求，间接证实了本文第3节的仿真结果。

当该TR组件的输入功率为9.50 dBm时，在2~6 GHz的频率范围内，其饱和输出功率均大于40 dBm；其中，在5.38 GHz频点，该TR组件的饱和输出功率可达到42.52 dBm。本实验证实了硅基微流道散热器可用于大功率宽带微波芯片的高效散热，满足组件的电、热性能要求。如不使用微流道散热技术，该类组件只能短时达到该饱和输出功率，无法长时间连续工作。