【摘要】：隨著器件功率密度的不斷提升,散熱問題已成為微電子器件封裝失效的主要原因之一。金剛石/銅(CuC)復合材料具有較高的熱導率,可作為新一代散熱材料應用于高功率密度器件的封裝中。本文采用有限元分析(FEA)的方法對比了一款功耗為70 W的Ga N器件在應用不同熱沉材料封裝后的芯片結溫和結-殼熱阻,采用紅外熱成像儀測試了該款器件在使用新型金剛石/銅材料和常規(guī)的多層復合材料銅-鉬銅-銅(Cu-Mo Cu-Cu,CPC)作為熱沉后的結-殼熱阻。結果表明,相比其他熱沉材料,CuC可以大幅度降低芯片結溫,在器件正常工作的條件下,采用CuC熱沉材料的芯片熱阻較采用CPC熱沉材料的芯片熱阻低19.74%,CuC熱沉的熱耗散能力高達4 464 W/cm~2。
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圖片說明： 4－6］。芯片封裝的熱特性通常采用結－殼熱阻來衡量，以此表征封裝體本身的散熱能力。對特定產品進行熱阻分析時，應根據相應的應用條件，選擇合適的仿真方法。本文采用有限元軟件ANSYSWork-bench分析了CPC和CuC兩種熱沉的結－殼熱阻，對比了多種材料的散熱能力，同時對實際封裝的器件進行測試，并將實測與仿真結果相互對比驗證，結果表明，相同條件下CuC比CPC的熱阻小，且在多種常用材料中CuC散熱性能最好。1熱沉材料本文實驗基于一款功耗為70W，工作頻率在L波段的GaNHEMT功率器件管殼進行，管殼的三維模型如圖1所示。模型主要包括芯片、焊接層、金屬熱沉、陶瓷墻體、封口環(huán)和引線。此管殼的熱沉總厚度為1.52mm，熱沉材料一直沿用傳統(tǒng)的三層復合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文實驗采用的新型熱沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)兩種熱沉材料的結構形貌如圖2所示。實驗中使用的CuC復合材料的熱導率為616.13W/(m·K)，金剛石體積分數為60%，金剛石粒徑約為100μm，金剛石顆粒均勻分布在銅基體中。圖1三維仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)熱沉形貌(b)CuC熱沉形貌圖2兩種熱沉材料的形貌圖Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型圖1所示的仿真模型中，GaN功率芯片的尺寸為6.22mm×0.83mm，有源區(qū)面積為2.24mm2，芯片總厚度為100μm，芯片與熱沉通過Au80Sn20焊料連接。在垂直于芯片方向傳熱時，熱阻與厚度呈正比，由于焊料層相對較薄，因此焊料界面熱阻值非常小，對整體熱阻影響很小，仿真時忽略焊料界面的接觸熱阻［7］。模型中各部分的材料參數如表1所示［3］。表1模型各部分材料參數［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名稱材料熱導率/(W·m－1·K－1
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圖片說明： ?對比了多種材料的散熱能力，同時對實際封裝的器件進行測試，并將實測與仿真結果相互對比驗證，結果表明，相同條件下CuC比CPC的熱阻小，且在多種常用材料中CuC散熱性能最好。1熱沉材料本文實驗基于一款功耗為70W，工作頻率在L波段的GaNHEMT功率器件管殼進行，管殼的三維模型如圖1所示。模型主要包括芯片、焊接層、金屬熱沉、陶瓷墻體、封口環(huán)和引線。此管殼的熱沉總厚度為1.52mm，熱沉材料一直沿用傳統(tǒng)的三層復合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文實驗采用的新型熱沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)兩種熱沉材料的結構形貌如圖2所示。實驗中使用的CuC復合材料的熱導率為616.13W/(m·K)，金剛石體積分數為60%，金剛石粒徑約為100μm，金剛石顆粒均勻分布在銅基體中。圖1三維仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)熱沉形貌(b)CuC熱沉形貌圖2兩種熱沉材料的形貌圖Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型圖1所示的仿真模型中，，GaN功率芯片的尺寸為6.22mm×0.83mm，有源區(qū)面積為2.24mm2，芯片總厚度為100μm，芯片與熱沉通過Au80Sn20焊料連接。在垂直于芯片方向傳熱時，熱阻與厚度呈正比，由于焊料層相對較薄，因此焊料界面熱阻值非常小，對整體熱阻影響很小，仿真時忽略焊料界面的接觸熱阻［7］。模型中各部分的材料參數如表1所示［3］。表1模型各部分材料參數［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名稱材料熱導率/(W·m－1·K－1)芯片GaN200(25℃)160(125℃)68(300℃)焊接層Au80Sn2057封口環(huán)、引線Kovar17.2瓷件Al2O3陶瓷15.7熱沉CPC(1∶4∶1)220CuC616.13
【作者單位】： 中國電子科技集團公司第十三研究所;河北中瓷電子科技有限公司;
【分類號】：TN405

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本文編號：2515035