基于Icepak的放大器芯片熱設(shè)計與優(yōu)化

摘要：針對微波電路A類放大器常用的功率放大器芯片，建立了芯片內(nèi)部封裝后的散熱模型。基于熱阻理論，在對放大器芯片等效熱阻做熱分析的基礎(chǔ)上，采用Icepak對影響芯片散熱的焊料層、墊盤、基板的材料和厚度進行優(yōu)化，分析各個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(shè)計結(jié)果。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計;功率芯片;Icepak;優(yōu)化

在微波放大電路中，功率芯片是整個電路最為核心的部分。芯片中大量的半導(dǎo)體器件在工作時會產(chǎn)生大量的熱量。芯片如果在封裝過程中散熱效率達不到要求的話，積累的熱量會影響器件特性，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，必須進行熱分析與熱控制。Icepak作為一款專業(yè)的熱分析軟件，提供了系統(tǒng)級、板級到器件級不同類型的熱分析平臺，其求解過程基于fluent求解器，可以計算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同的過程。強大的后處理可以用云圖直觀地輸出各個參量。相對于傳統(tǒng)的熱設(shè)計方案，基于Icepak的仿真優(yōu)化設(shè)計方法可以節(jié)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間。

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

1 典型功率芯片封裝結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖。芯片成品封裝以后，芯片、墊板、基板和殼體通過焊料緊密連接在一起。半導(dǎo)體裸芯片滿負荷工作時的內(nèi)熱阻Rjc可以由生產(chǎn)商提供的手冊查到，本文主要通過改變焊料、墊盤和基板的材料和厚度進行優(yōu)化，減小芯片的外部熱阻Rout使得芯片可以適應(yīng)更加復(fù)雜的熱環(huán)境，以達到結(jié)構(gòu)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，所以優(yōu)化過程中我們只考慮熱傳導(dǎo)過程。芯片的邊長為11，焊料層厚度為h1，墊盤厚度為h2，基板厚度為h3，由于厚度相比與橫截面尺寸很小，我們?nèi)「鲗拥纳媳砻婷娣e作為截面面積來計算熱阻。根據(jù)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、墊盤和基板的導(dǎo)熱系數(shù)。

由公式(3)我們可以得到在更換不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料和更改各層材料的厚度時候，都會對熱阻產(chǎn)生影響。而通過優(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(tǒng)理論計算優(yōu)化方法在面對復(fù)雜模型時工作量十分巨大，故本文采用ANAYS公司的Icepak軟件作為優(yōu)化設(shè)計工具。

2 Icepak建模

Icepak是專業(yè)的熱設(shè)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。其提供的多變量優(yōu)化計算可以對存在多個變量的模型自動優(yōu)化，并可以定義多種輸出函數(shù)來輸出想要的結(jié)果。

圖2是根據(jù)表1在Icepak中建立的簡化模型并進行網(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給出了各個結(jié)構(gòu)常用的材料和導(dǎo)熱率。芯片熱參數(shù)如下：焊料為鉛錫合金，墊盤為鉬銅合金，基板為鋁硅碳材料。額定功率為4.5 W，內(nèi)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、墊盤和基板水平方向尺寸不發(fā)生變化，在工作環(huán)境為70℃時，通過改變厚度和材料時，Icepak優(yōu)化計算結(jié)果整理如下：

由圖3(a)可知，對于金錫合金焊料，芯片溫度隨著焊料層厚度增加而降低，對于鉛錫焊料，芯片溫度隨著焊料厚度增加增加。而且當(dāng)鉛錫焊料層厚度為0.1 mm時，芯片與接觸免處溫度超過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，溫度隨純銅墊盤厚度增加而降低，銅片厚度為0.1 mm時，最低點為89 ℃，采用鉬銅合金墊盤時溫度隨著鉬銅厚度呈現(xiàn)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)可知芯片溫度隨著底板厚度增加溫度呈上升趨勢，不同類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(jié)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，IceDak通過優(yōu)化焊料、墊盤和底板3個變量的厚度和材料得出了如下最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖4指出在金錫焊料層厚為0.1 mm，純銅墊盤厚度為0.8mm，底板厚度為0.5 mm時，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(wěn)定性工作。

5 結(jié)束語

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