基于新工艺技术的高功率裸芯片模块微流体系统的散热技术

李丽丹 钱自富 张庆军 刘压军 李 治 李 鹏

(四川九洲电器集团有限责任公司 绵阳 621000)

随着电子设备小型化和高性能的发展趋势,芯片集成度要求越来越高,芯片在工作时的热流密度也随之不断升高。功率芯片产生的热量不能及时散发,设备长期在高温工况下工作,会直接影响器件的工作寿命,甚至直接失效[1-2]。随着温度的升高,电子设备的可靠性和平均故障时间(mean time between failures, MTBF)急剧下降,其失效概率呈指数增长趋势[3]。因此如何提升芯片散热能力是学者们研究的重点问题。

芯片的散热能力直接关系到系统性能,电子设备中常用的散热方式如表1所示[4]。相比传统散热技术,微流体散热技术能够提供更大的传热面积和更高的传热系数,且易于集成在芯片模块内部,从而提高芯片散热性能[5-6]。

表1 不同散热方式对比

D. B. Tuckerman等[7]在1981年首次提出微通道散热器的设计思路,研究设计了平行直流道的微通道散热器,在芯片上可实现790 W/cm2的散热量。表明微通道散热器可解决高功率热流密度器件的散热问题,为电子芯片的散热提供新思路。在此之后,国内外学者对微通道散热进行了更加全面、系统的研究[8-15],聚焦于微通道的结构、尺寸、形状的优化设计等诸多方面,如多孔介质、分形网络等微流体散热系统装置。研究目的主要为两方面:1)不断提高系统的散热能力;2)尽可能减小热阻[16]。使电子元器件的温度始终在其运行工作范围内,确保其工作的稳定性和可靠性。

本文设计了一种自闭环一体化微流体散热系统。一方面采用裸芯片共晶焊接到热沉,热沉共晶焊接到功率模块腔体,有效降低裸芯片到功率模块腔体的传导热阻;另一方面,采用一体化设计方式将微通道散热器集成于功率模块腔体内部,并将微流道设计为交联流道的形式,进一步增加散热能力。

1 原理分析

1.1 微系统的工作原理

微系统主要由循环泵、微通道散热器、裸芯片、热沉、换热器、流体管路以及内部工质等组成。压电微泵驱动换热介质在管路中流动,整个系统通过换热器与外界进行热交换。当裸芯片工作时,微通道散热器从裸芯片吸收热量,通过管路中的散热介质把热量传输给换热器,最终将热量散给外界环境。系统工作原理如图1所示。

图1 高功率裸芯片模块微流体散热系统工作原理

1.2 裸芯片低热阻传热设计

热传导过程如下:

R=L/(KcA)

(1)

Q=ΔT/R=ΔTKcA/L

(2)

式中:R为热阻,K/W;L为材料的厚度,m;Kc为接触面等效导热系数,W/(m·K);A为接触面积,m2;ΔT为两接触面的温差,℃;Q为传导过程的总热量,W。

由式(1)、式(2)可知,接触传导产生的温差主要与热传递过程中的热阻和传递的总热量有关,而传递过程中的热阻与材料的厚度以及导热系数密切相关。在相同传导面积下,热传导路径越短,材料导热系数越高,热传导热阻越低。裸芯片的传统安装方式如图2所示。裸芯片采用AuSn焊接在钨铜垫片上,钨铜垫片再通过导电胶粘接在功率模块腔体底部。功率裸芯片与散热系统为接触热传导散热,由于路径上热阻相对较高,将产生较大温差。为降低其传导热阻,引入导热系数更高的热沉,将钨铜垫片更换为金刚石铝/金刚石铜,同时采用共晶焊代替传统胶粘,将有效降低传热路径上的热阻实现传热路径上的高效传热,如图3所示。

图2 高功率裸芯片模块传统安装形式

图3 高功率裸芯片模块新型安装形式

相对于传统的工艺方案,新工艺方案用金刚石代替钨铜垫片,用共晶焊接代替导电胶,同时在功率模块腔体中加入微流道散热器。粘胶及共晶焊接、钨铜垫片和金刚石的导热性能参数如表2所示。由表2可知,共晶焊接的热阻是导电胶热阻的1/360～1/280。即当传统方案裸芯片热沉两端接触面温差为10 ℃时,采用新方案的温差仅为0.025～0.033 ℃。焊接工艺技术的使用,将有效降低裸芯片到功率模块腔体的接触热阻,有效提升裸芯片的散热性能。同时,新方案采用共晶焊接可提高裸芯片在功率模块腔体上的可靠性。

表2 导电胶与共晶焊性能对比

本项目采用Au80Sn20合金共晶的方式(熔点为280 ℃)将祼芯片共晶焊接在热沉上,然后将焊接后的组件通过Sn63Pb37共晶的方式焊接在微通道腔体上,并将芯片与热沉焊接层的空洞率控制在10%之内以及热沉与腔体焊接层的空洞率控制在15%之内,保证其热阻较小。

2 实验装置

为验证微流体散热系统的实际散热性能,需搭建测试系统,测试了环境温度为70 ℃时微流体散热系统的散热能力,测试系统中采用的设备主要有:

1)功率模块,实物如图4所示,上层采用透明的玻璃盖板,便于观察裸芯片的工作情况。功率模块腔体的材料选用为AlSi42,导热系数为140 W/(m·K),具有加工性能好、成本低等优势。功率模块腔体内部微流道有两种设计模式:模式一是在平直流道上进行3次打断设计,为交错型流道,宽度设计为0.8 mm,高度为1 mm,当量直径为0.89 mm,如图5(a)所示;模式二为平直流道,尺寸大小与模式一相同,如图5(b)所示。

图4 功率模块实物

图5 功率模块腔体内部微流道设计

2)裸芯片选用功率放大器芯片NC11613C-1618P30,该芯片是中国电子科技集团公司第13研究所制造,焊接温度小于300 ℃时,可保证芯片的正常工作,不会因为温度过高造成芯片被烧毁,芯片尺寸为3.6 mm×3.5 mm×0.1 mm(长×宽×高),当漏压设置为28 V、栅压设置为最大-2 V、静态电流为2.5 A、最大静态功率为70 W时,芯片表面积为0.126 cm2、最大表面热流密度可达555 W/cm2、最大结温为175 ℃。

3)实验用热沉材料为金刚石铝,厚度为200 μm,导热系数为800 W/(m·K)。

4)换热器选用40 mm×40 mm(长×宽)风机作为风冷源,对系统中吸收裸芯片热量升温后的流体进行散热,换热器尺寸为52 mm×41 mm×40 mm(长×宽×高)。

5)压电微泵流量约为350 mL/min,该微流泵需要可调频、调压的驱动电源,以产生相应的偏转位移。实验中使用的驱动电源,具有电压、频率便捷可调的功能。

6)储液器在系统中起到补偿冷却液损失和排空气的作用。系统中使用的循环冷却介质为AF65航空冷却液,该冷却液具有显著的低温性能和防腐蚀性能,在航空、火箭、雷达电子设备等应用领域使用广泛。

7)稳压直流电源为整个系统供电,K型热电偶测试器件表面温度,测试精度为±0.1 ℃,OMEGA温度数据采集仪采集及处理热电偶测试数据。

根据GJB 150.3A—2009《军用装备实验室环境试验方法》[17],军用机载设备最严酷的使用环境温度为70 ℃,因此将整个测试系统放置在70 ℃的高温箱内,测试平台如图6所示。

图6 测试平台

实际测试过程中因芯片面积较小,且芯片上分布压点,热电偶传感器无法粘贴在芯片上进行测量,而红外测量又无法满足测量精度,因此测量时选取芯片旁边印制板上一点作为测量点,要求此点在不影响键合金线的前提下尽量靠近芯片,测量点位置如图7所示。为了获得芯片最高温度,对微流体散热系统进行仿真,通过仿真得到的监测点和芯片的温度差来近似代替实验测试的监测点和芯片的温度差,再加上实验获得的监测点的温度获得芯片最高温度。

图7 温度监测点

3 结果分析

3.1 实验分析

3.1.1 交联流道散热器在热流密度为80 W/cm2下的温度测试

实验过程中,设置热流密度为80 W/cm2(裸芯片功率为10 W),在不开液冷泵的条件下让裸芯片在70 ℃的高温箱中持续工作,记录观察点温度,直至监测点温度达到稳定状态后开启液冷泵,让冷却液循环整个系统,给腔体内的裸芯片散热。图8所示为监测点温度的变化。由图8可知,高温箱温度为70 ℃且不开液冷泵时,裸芯片以10 W的功率持续工作,监测点温度由70 ℃不断升高,在约755 s时监测点温度达到平衡约为97.8 ℃。此后开启液冷泵对裸芯片进行循环冷却散热,监测点温度迅速下降,稳定后温度为71.7 ℃,温升仅为1.7 ℃。相比不进行循环冷却的状态,裸芯片的温度下降26.1 ℃,由此可知在新工艺状态下的微流体系统具有较高的散热能力。

图8 热流密度为80 W/cm2时监测点温度

3.1.2 交联流道与平直流道散热器在多种热流密度下的散热分析

开启液冷泵,改变裸芯片上的热流密度(裸芯片功率),观察监测点的温度变化。图9(a)所示为热流密度为160 W/cm2(裸芯片功率为20 W)、320 W/cm2(裸芯片功率为40 W)时,交联流道与平直流道散热器监测点温度随时间的变化;9(b)所示为热流密度为240 W/cm2(裸芯片功率为30 W)、360 W/cm2(裸芯片功率为45 W)时,交联流道与平直流道散热器监测点温度随时间的变化。由图9可知,热流密度为360 W/cm2时,交联流道和平直流道散热器监测点的最高温度分别为80.5、83.8 ℃,两种微通道散热器的最大温升均在15 ℃以内,表明微通道散热器具备良好的散热能力。由图9还可知,在相同时间、功率密度状态时,功率模块在平直流道下要比交联流道下监测点温度偏高;在热流密度较高为320、360 W/cm2时,交联流道与平直流道监测点温度的温差比热流密度为160、240 W/cm2时更高。表明交联流道散热器的散热能力高于平直流道,尤其在热流密度较高的情况。这是由于交联微通道是一种基于热边界层中断理论设计的具有交错结构的新型微通道结构,针对传统的平直微通道将部分流道进行打断,使工质在流动方向上的边界层重新发展,产生连续的入口发展段热流动边界层[18-19],代替平直微通道中的稳定边界层,从而提高散热器的散热性能。

图9 不同热流密度状态下温度监测点的变化

本文后续实验和仿真设计均采用具有交联流道散热器的功率模块。

3.2 实验仿真对比分析

设置仿真环境温度为70 ℃,对热流密度为80、160、240、320、360 W/cm2时,整个微通道散热系统进行散热仿真。选取热流密度为80 W/cm2时系统的散热仿真进行分析。热流密度为80 W/cm2时,系统的温度分布云图如图10所示。由图10(a)可知,整个系统的最高温度为86.9 ℃,最低温度为71.2 ℃;由图10(b)～图10(d)可知,功率模块上最高温度出现在中间芯片的发热位置,裸芯片的最高温度为86.8 ℃;由图10(e)、10(f)可知,裸芯片上的最低温度为79.8 ℃,整个系统的最高温度出现在裸芯片正面中心处。

图10 热流密度为80 W/cm2时散热系统的温度云图

将5种热流密度下的仿真结果与实验得到的监测点温度进行对比,结果如表3所示。由表3可知,随着热流密度的增加,实验监测点温度和仿真监测点温度也随之增加;同时,仿真监测温度与实验监测温度之间的误差也增加,最低误差为2.71%,最高误差为7.16%,监测点的偏差均在8%以内,仿真结果可靠。在热流密度为360 W/cm2时,芯片达到最高温度144 ℃;当热流密度为320 W/cm2时,芯片最高温度为136 ℃。根据GJB/Z 35—1993《元器件降额使用准则》[20]Ⅱ级降额要求,裸芯片的最高结温为200 ℃,按照Ⅱ级降额标准最高温度应不超过140 ℃,即在热流密度为360 W/cm2时,芯片最高温度超过了Ⅱ级降额最高温度,新工艺下的微流体散热系统已无法解决。此微流体散热系统可解决320 W/cm2热流密度的热耗。

表3 不同热流密度下实验仿真结果对比

4 结论

本文设计了一种自闭环一体化微流体散热系统,并采用新工艺技术降低了热量从裸芯片到功率模块腔体的传导热阻。得到如下结论:

1)采用共晶焊接替代传统的导电胶粘接模式,新工艺设计方法使得热阻仅为传统工艺热阻的1/360～1/280。

2)热流密度为80 W/cm2时,具备循环冷却微通道散热器的裸芯片温升,相比于传统无微通道状态,温度降低26.1 ℃。

3) 利用芯片内嵌微通道技术,将微通道散热器集成于功率模块内部,设计了具有交错结构的交联微通道和普通平直结构的微通道。在多种热流密度状态下(热流密度为80～360 W/cm2),具备交错结构的微通道其散热能力要比平直结构更强。

4)环境温度为70 ℃时,多种热流密度工况下,仿真和实验的最大偏差在8%以内,表明仿真结果可靠。通过实验和仿真分析可知,具备新工艺技术和微流道循环冷却系统的高功率裸芯片,可解决320 W/cm2热流密度的裸芯片散热,具备较强的散热能力。