【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(fù)合材料具有較高的熱導(dǎo)率,可作為新一代散熱材料應(yīng)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(duì)比了一款功耗為70 W的Ga N器件在應(yīng)用不同熱沉材料封裝后的芯片結(jié)溫和結(jié)-殼熱阻,采用紅外熱成像儀測(cè)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(fù)合材料銅-鉬銅-銅(Cu-Mo Cu-Cu,CPC)作為熱沉后的結(jié)-殼熱阻。結(jié)果表明,相比其他熱沉材料,CuC可以大幅度降低芯片結(jié)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(dá)4 464 W/cm~2。
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圖片說(shuō)明： 4－6］。芯片封裝的熱特性通常采用結(jié)－殼熱阻來(lái)衡量，以此表征封裝體本身的散熱能力。對(duì)特定產(chǎn)品進(jìn)行熱阻分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)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(jié)－殼熱阻，對(duì)比了多種材料的散熱能力，同時(shí)對(duì)實(shí)際封裝的器件進(jìn)行測(cè)試，并將實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果相互對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(fù)合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文實(shí)驗(yàn)采用的新型熱沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)兩種熱沉材料的結(jié)構(gòu)形貌如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中使用的CuC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為616.13W/(m·K)，金剛石體積分?jǐn)?shù)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(shí)，熱阻與厚度呈正比，由于焊料層相對(duì)較薄，因此焊料界面熱阻值非常小，對(duì)整體熱阻影響很小，仿真時(shí)忽略焊料界面的接觸熱阻［7］。模型中各部分的材料參數(shù)如表1所示［3］。表1模型各部分材料參數(shù)［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名稱材料熱導(dǎo)率/(W·m－1·K－1
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圖片說(shuō)明： ?對(duì)比了多種材料的散熱能力，同時(shí)對(duì)實(shí)際封裝的器件進(jìn)行測(cè)試，并將實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果相互對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(fù)合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文實(shí)驗(yàn)采用的新型熱沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)兩種熱沉材料的結(jié)構(gòu)形貌如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中使用的CuC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為616.13W/(m·K)，金剛石體積分?jǐn)?shù)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(shí)，熱阻與厚度呈正比，由于焊料層相對(duì)較薄，因此焊料界面熱阻值非常小，對(duì)整體熱阻影響很小，仿真時(shí)忽略焊料界面的接觸熱阻［7］。模型中各部分的材料參數(shù)如表1所示［3］。表1模型各部分材料參數(shù)［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名稱材料熱導(dǎo)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所;河北中瓷電子科技有限公司;
【分類號(hào)】：TN405

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本文編號(hào)：2515035