基于Icepak的放大器芯片熱設計與優(yōu)化

摘要：針對微波電路A類(lèi)放大器常用的功率放大器芯片，建立了芯片內部封裝后的散熱模型?；跓嶙枥碚?，在對放大器芯片等效熱阻做熱分析的基礎上，采用Icepak對影響芯片散熱的焊料層、墊盤(pán)、基板的材料和厚度進(jìn)行優(yōu)化，分析各個(gè)變量對芯片溫度造成的影響，最后給出了高可靠性的芯片熱設計結果。

關(guān)鍵詞：熱設計;功率芯片;Icepak;優(yōu)化

在微波放大電路中，功率芯片是整個(gè)電路最為核心的部分。芯片中大量的半導體器件在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。芯片如果在封裝過(guò)程中散熱效率達不到要求的話(huà)，積累的熱量會(huì )影響器件特性，甚至是毀壞器件造成電路失去功能。為了提高芯片的可靠性，必須進(jìn)行熱分析與熱控制。Icepak作為一款專(zhuān)業(yè)的熱分析軟件，提供了系統級、板級到器件級不同類(lèi)型的熱分析平臺，其求解過(guò)程基于fluent求解器，可以計算穩態(tài)和瞬態(tài)不同的過(guò)程。強大的后處理可以用云圖直觀(guān)地輸出各個(gè)參量。相對于傳統的熱設計方案，基于Icepak的仿真優(yōu)化設計方法可以節約成本和縮短研制修改周期，提高產(chǎn)品的一次成功率和提前上市時(shí)間。

文中在介紹熱阻理論的基礎上，詳細地介紹了Icepak軟件建模、網(wǎng)格劃分、求解和后處理的過(guò)程。收集整理了改變焊層、墊板和基板的材料和厚度時(shí)芯片最高溫度并分析原因，總結并給出最優(yōu)化的熱設計結果。

1 典型功率芯片封裝結構和等效熱阻模型

熱流自芯片流向外部環(huán)境所受到阻礙稱(chēng)為熱阻。也指1 W功率在傳熱路徑上產(chǎn)生的溫度差，其表達是表示為：

R=△T/P (1)

對于熱導率為K，厚度為h，橫截面積為S的物體熱阻：

R=h/(K*S) (2)

圖1是此功率芯片封裝和散熱結構示意圖。芯片成品封裝以后，芯片、墊板、基板和殼體通過(guò)焊料緊密連接在一起。半導體裸芯片滿(mǎn)負荷工作時(shí)的內熱阻Rjc可以由生產(chǎn)商提供的手冊查到，本文主要通過(guò)改變焊料、墊盤(pán)和基板的材料和厚度進(jìn)行優(yōu)化，減小芯片的外部熱阻Rout使得芯片可以適應更加復雜的熱環(huán)境，以達到結構和工藝最優(yōu)化的目的。

對流和輻射對于芯片產(chǎn)生的熱量散熱貢獻很小，所以?xún)?yōu)化過(guò)程中我們只考慮熱傳導過(guò)程。芯片的邊長(cháng)為11，焊料層厚度為h1，墊盤(pán)厚度為h2，基板厚度為h3，由于厚度相比與橫截面尺寸很小，我們取各層的上表面面積作為截面面積來(lái)計算熱阻。根據式(2)我們可以得到從第一層焊料到基板底部焊料層的熱阻為：

K1、K2、K3分別是焊料、墊盤(pán)和基板的導熱系數。

由公式(3)我們可以得到在更換不同導熱系數的材料和更改各層材料的厚度時(shí)候，都會(huì )對熱阻產(chǎn)生影響。而通過(guò)優(yōu)化使熱阻達到最小可以令芯片在更高的環(huán)境溫度下正常工作正是我們的目的。傳統理論計算優(yōu)化方法在面對復雜模型時(shí)工作量十分巨大，故本文采用ANAYS公司的Icepak軟件作為優(yōu)化設計工具。

2 Icepak建模

Icepak是專(zhuān)業(yè)的熱設計軟件，該軟件提供了豐富的模型和材料庫。并支持使用者新建材料。其提供的多變量?jì)?yōu)化計算可以對存在多個(gè)變量的模型自動(dòng)優(yōu)化，并可以定義多種輸出函數來(lái)輸出想要的結果。

圖2是根據表1在Icepak中建立的簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于芯片厚度Y遠小于其X尺寸，所以在Y方向最小網(wǎng)格邊長(cháng)是X方向上的十分之一。

3 計算與優(yōu)化

表格2給出了各個(gè)結構常用的材料和導熱率。芯片熱參數如下：焊料為鉛錫合金，墊盤(pán)為鉬銅合金，基板為鋁硅碳材料。額定功率為4.5 W，內部熱阻為7.8℃/W，芯片限制工作溫度為150℃，所以外部熱阻與芯片接觸面允許達到的最高溫度為：

Tcmax=150℃-7.8℃/W×4.5 W=114.9 ℃

保持焊料、墊盤(pán)和基板水平方向尺寸不發(fā)生變化，在工作環(huán)境為70℃時(shí)，通過(guò)改變厚度和材料時(shí)，Icepak優(yōu)化計算結果整理如下：

由圖3(a)可知，對于金錫合金焊料，芯片溫度隨著(zhù)焊料層厚度增加而降低，對于鉛錫焊料，芯片溫度隨著(zhù)焊料厚度增加增加。而且當鉛錫焊料層厚度為0.1 mm時(shí)，芯片與接觸免處溫度超過(guò)115℃，相同情況采用金錫焊料芯片溫度可以降低20℃;圖3(b)指出其它條件不變時(shí)，溫度隨純銅墊盤(pán)厚度增加而降低，銅片厚度為0.1 mm時(shí)，最低點(diǎn)為89 ℃，采用鉬銅合金墊盤(pán)時(shí)溫度隨著(zhù)鉬銅厚度呈現先降低后升高的

情況，在鉬銅厚度為0.7 mm，芯片有最低溫度102℃;圖3(b)可知芯片溫度隨著(zhù)底板厚度增加溫度呈上升趨勢，不同類(lèi)型底板上升速度不同，氧化鋁型底板上升最快，鋁硅碳其次，氧化鋇型最慢。

4 優(yōu)化結果

針對環(huán)境溫度70℃惡劣工作條件，在保持原有放大器芯片水平尺寸不變時(shí)，IceDak通過(guò)優(yōu)化焊料、墊盤(pán)和底板3個(gè)變量的厚度和材料得出了如下最優(yōu)化結構。

圖4指出在金錫焊料層厚為0.1 mm，純銅墊盤(pán)厚度為0.8mm，底板厚度為0.5 mm時(shí)，芯片最高溫度為87℃，與臨界溫度105℃還相差較大，芯片可在此溫度高穩定性工作。

5 結束語(yǔ)

本次優(yōu)化設計采用Icepak，在設定變量焊料、墊盤(pán)和底板的材料和變化范圍之后，Icepak自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化并保存了所有的計算結果，最后給出可以使芯片具有最低溫度的結果。與以往芯片優(yōu)化方法相比更智能，優(yōu)化結果對于芯片封裝廠(chǎng)商生產(chǎn)高性能芯片具有參考價(jià)值。