辛曉峰，錢吉裕，周 仝，劉明罡

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高集成電路模塊的高速空氣射流冷卻技術(shù)研究

辛曉峰，錢吉裕，周 仝，劉明罡

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高集成電路模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝密度大、體積熱流密度高、熱設計空間小的特點，無法采用常規(guī)風冷或常規(guī)液冷的冷卻方式。針對這一特點，文中提出了一種高速空氣射流冷卻方法，并結(jié)合仿真與試驗進行研究。結(jié)果表明，該冷卻方式能夠解決高集成電路模塊的熱設計問題，為其他類似電子器件的散熱問題提供了參考。

高集成電路模塊；熱設計；高速空氣射流；冷卻

引 言

由電子元器件組建的各種系統(tǒng)在通信、交通、航空航天、軍事武器系統(tǒng)等國民經(jīng)濟各個方面起著至關(guān)重要的作用，推動著國家和社會的發(fā)展進步。集成電路的集成度每3年增長4倍，特征尺寸每3年縮小2倍。隨著微電子技術(shù)特別是軍用電子和微波器件的飛速發(fā)展，以及軍用高功率密度器件和微波器件的使用，電子設備功率密度越來越大，單位體積容納的熱量越來越高[1-3]。有資料表明，器件的工作溫度每升高10 ℃，失效率增加1倍[4]。不合理的熱設計會引起電路組件局部過熱，超過半導體芯片可承受的結(jié)溫即會燒毀。半導體芯片的可靠工作與溫度關(guān)系極大，在較高溫度下工作的半導體器件不僅可靠性下降而且輸出功率也會大大降低。同時，隨著集成電路規(guī)模和電子組裝密度的不斷提高，單位體積容納的熱量越來越高，熱設計空間越來越小，必須考慮高效、可靠的熱設計方法。

本文根據(jù)結(jié)構(gòu)功能一體化的設計要求，創(chuàng)新地采用了高速空氣射流冷卻的方法對高集成電路模塊進行散熱設計，結(jié)合仿真與試驗進行研究，成功地應用于某集成電路模塊的調(diào)試。

1 結(jié)構(gòu)介紹

某毫米波組件厚約5 mm，在約40 mm的寬度上均布8個功率管(單管熱耗約1.4 W)，在靠近功率管的前端部分用螺釘壓接尺寸為40 mm(寬)×10 mm(長)×1 mm(厚)的功能底板。其主要熱構(gòu)件分布如圖1所示。

發(fā)熱功率管芯片自上至下的熱通路如圖2所示，發(fā)熱芯片(熱點)與LTCC(低溫共燒陶瓷)焊接，LTCC與組件底板焊接，三者形成一個獨立、密封的腔體，厚約4 mm。組件底板與結(jié)構(gòu)底板(厚約1 mm)采用螺釘壓接，腔體、結(jié)構(gòu)底板及功能底板組成一個組件，多個組件層疊排列，形成一個高集成電路模塊。

圖1 毫米波組件主要熱構(gòu)件分布示意圖

圖2 發(fā)熱芯片至結(jié)構(gòu)底板熱通路示意圖

該模塊的組件排列緊密，組件間無間隙，無傳統(tǒng)熱設計空間。功能底板伸出組件端面約7 mm，板間空隙約3 mm，本文的高速空氣射流冷卻即為對該部分功能底板吹強風進行冷卻。

2 仿真計算

為分析各種工況下的溫升結(jié)果，通過工程熱設計軟件FloTHERM建立了仿真模型，對傳熱和散熱進行了仿真分析。

2.1 無主動散熱措施

無主動散熱措施的高集成電路模塊實際工作時間要求約1 min左右。在這種情況下，功率管產(chǎn)生的熱量主要通過結(jié)構(gòu)件本身的熱容來消耗。溫升與持續(xù)時間成正比：Q=Pt，Q為總熱容，P為發(fā)熱功率，t為持續(xù)時間。

圖3給出了無主動散熱措施時組件功率管殼溫和結(jié)構(gòu)底板溫度隨時間變化的曲線。仿真初始溫度為20 ℃，1 min后結(jié)構(gòu)底板溫度為58 ℃，溫升約38 ℃。

圖3 無主動散熱措施時的溫升曲線

2.2 高速空氣射流冷卻

該高集成電路模塊的實際工作時間僅為1 min，此時僅需考慮結(jié)構(gòu)件熱容大小，基本不需要考慮主動散熱措施。但是，該模塊的調(diào)試階段需要長時間工作，此時必須考慮雷達的主動散熱措施。模塊組件部分排列緊密，組件間無間隙，無熱設計空間，體積熱流密度大，普通風冷或液冷無可設計空間，必須考慮其他方法。

本文采用高速空氣射流冷卻對功能底板進行強風冷散熱，不同風速條件下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 高速空氣射流冷卻溫升曲線

從圖4可以看出，約10 min后組件溫度變化趨于穩(wěn)定。來流速度50 m/s時，功率管殼溫可達125 ℃，結(jié)構(gòu)底板溫度87 ℃；來流速度60 m/s時，功率管殼溫為118 ℃，結(jié)構(gòu)底板溫度為80 ℃。溫度場與速度場如圖5所示(來流風速50 m/s)。

圖5 來流風速50 m/s時的溫度場及速度場

3 試驗驗證

3.1 無主動散熱措施

圖6為無主動散熱措施的熱電阻模擬試驗組件，兩排發(fā)熱電阻用來模擬發(fā)熱點位置變化，試驗中僅給前排發(fā)熱電阻加電。試驗結(jié)果如圖7所示，加電1 min時結(jié)構(gòu)底板最大溫升約為35 ℃，與仿真結(jié)果38 ℃接近。

圖6 無主動散熱措施的試驗驗證

圖7 無主動散熱措施試驗的溫升曲線

3.2 高速空氣射流冷卻

為方便測試、減小誤差，將多個組件試驗件依次疊放排列，并在組件周圍做好保溫措施，僅留功能底板(伸出陣列組件約7 mm)，風口設計等如圖8所示。

圖8 功能底板陣列的高速空氣射流冷卻試驗

試驗結(jié)果如圖9所示，供風風速為48 m/s，溫度20 ℃，10 min后結(jié)構(gòu)底板溫度基本穩(wěn)定在85 ℃～90 ℃之間，與風速50 m/s的仿真結(jié)果87 ℃接近。

圖9 高速空氣射流冷卻試驗的溫升曲線

試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)功能底板在強風條件下的震顫等現(xiàn)象，穩(wěn)定性好。

4 結(jié)果分析

仿真結(jié)果和試驗結(jié)果較為接近，互相佐證。高速空氣射流冷卻方式可較好地解決某高集成電路模塊的散熱問題。但在設計時需要考慮強風條件下的結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性問題，功能底板不能太長，否則可能發(fā)生震顫，影響功能底板的電訊性能。

5 結(jié)束語

通過仿真和試驗相結(jié)合的方法研究了某高集成電路模塊的熱設計。該模塊的主要熱設計特點為：無熱設計空間，體積熱流密度大。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能一體化設計思路，通過功能底板的高速空氣射流冷卻有效地解決了組件散熱問題。給某高集成電路模塊的熱設計提供了較好的方法，并為其他類似電子器件的散熱設計提供了參考。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] 楊邦朝, 熊流鋒, 杜曉松, 等. 集成電路封裝的三維熱模擬與分析[J]. 功能材料, 2002, 33(1): 67-69.

[3] 余詠梅. 高密度陶瓷封裝外殼散熱問題探討[J]. 電子與封裝, 2006, 6(7): 25-27.

[4] OZMAT B. Interconnect technologies and the thermal performance of MCM[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1992, 15(5):860-869.

辛曉峰(1982-)，男，博士，主要從事電子設備的熱設計、環(huán)境控制等方面的研究。

關(guān)于召開“電子設備振動環(huán)境適應性設計”專題研討會的通知

為幫助電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計人員和振動等環(huán)境檢測人員深入研究振動工程設計、振動檢測和振動控制等相關(guān)內(nèi)容，中國電子學會電子機械工程分會決定于2013年9月13日～9月16日在南京召開“電子設備振動環(huán)境適應性設計”專題研討會，特邀季馨教授系統(tǒng)講解振動環(huán)境對電子設備電性能的可靠性和長壽命影響機理，提高電子設備抗振動設計的理論及典型隔振系統(tǒng)的力學特點、常用隔振器特性和新型隔振器設計方法，振動等環(huán)境試驗方法及評價準則等內(nèi)容。并進行實驗室現(xiàn)場演示及互動交流活動。歡迎大專院校、企事業(yè)單位、科研院所等從事電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計人員和振動等環(huán)境檢測人員參加。

聯(lián)系人：尹翔陵 聯(lián)系電話：025-51821008 手機：13851458685

中國電子學會電子機械工程分會

Study on High Velocity Air-jet Cooling of Compact Integrated Circuits

XIN Xiao-feng，QIAN Ji-yu，ZHOU Tong，LIU Ming-gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Compact integrated circuits have the characteristics of compact structure, high heat-flux density and very limited space for thermal design, which makes regular cooling methods such as air cooling and liquid cooling not applicable. In this article, a high velocity air-jet cooling method for compact integrated circuits is presented, both numerical simulation and experimental study are carried out. The results show that the high velocity air-jet cooling method meets the demands of the thermal design of compact integrated circuits, and provides a reasonable reference for the cooling design of similar electronic devices.

compact integrated circuits; thermal design; high velocity air-jet; cooling

2013-07-25

TK172

A

1008-5300(2013)04-0022-03