逄立飛

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

基于Icepak的放大器芯片熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化

逄立飛

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

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?；跓嶙枥碚摚趯Ψ糯笃餍酒刃嶙枳鰺岱治龅幕A(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(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(shè)計(jì)結(jié)果。

熱設(shè)計(jì)；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(dǎo)體器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。芯片如果在封裝過程中散熱效率達(dá)不到要求的話，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[1]。Icepak作為一款專業(yè)的熱分析軟件，提供了系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)到器件級(jí)不同類型的熱分析平臺(tái)，其求解過程基于fluent求解器，可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同的過程。強(qiáng)大的后處理可以用云圖直觀地輸出各個(gè)參量。相對于傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方案，基于Icepak的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)間。

文中在介紹熱阻理論的基礎(chǔ)上，詳細(xì)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(shí)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(jì)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(dá)是表示為[2]：

對于熱導(dǎo)率為K，厚度為h，橫截面積為S的物體熱阻：

圖1 芯片封裝結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the chip

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(fù)荷工作時(shí)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(jìn)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(dá)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(xiàn)很小[3]，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l1，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(jì)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(shí)候，都會(huì)對熱阻產(chǎn)生影響。而通過優(yōu)化使熱阻達(dá)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(jì)算優(yōu)化方法在面對復(fù)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(shè)計(jì)工具。

2 Icepak建模

Icepak是專業(yè)的熱設(shè)計(jì)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(jì)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(shù)來輸出想要的結(jié)果。

表1 模型初始尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of the model

圖2 Icepak中封裝芯片模型圖Fig. 2 Modeling and meshing

圖2是根據(jù)表1在Icepak中建立的簡化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于芯片厚度Y遠(yuǎn)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(jì)算與優(yōu)化

表格2給出了各個(gè)結(jié)構(gòu)常用的材料和導(dǎo)熱率[4]。芯片熱參數(shù)[5]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(dá)到的最高溫度為：

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(shí)[6]，通過改變厚度和材料時(shí)，Icepak優(yōu)化計(jì)算結(jié)果整理如下：

表2 常用材料熱導(dǎo)率Tab.2 Parameters of the materials

圖3 接觸面溫度與各部結(jié)構(gòu)厚度和材料關(guān)系Fig. 3 Relationship between temperature and the parameters

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(shí)，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(shí)，溫度隨純銅墊盤厚度增加而降低，銅片厚度為0.1 mm時(shí)，最低點(diǎn)為89 ℃，采用鉬銅合金墊盤時(shí)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(shí)，Icepak通過優(yōu)化焊料、墊盤和底板3個(gè)變量的厚度和材料得出了如下最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

表2 模型初始尺寸參數(shù)Tab.2 Parameters of the model

圖4 最優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)溫度云圖Fig. 4 Temperature nephogram

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(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(wěn)定性工作。

5 結(jié)束語

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)進(jìn)行優(yōu)化并保存了所有的計(jì)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(jià)值。

[1]余建祖,高紅霞，謝永齊.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[2]邵科峰,基于Icepak軟件的某高功放設(shè)備散熱方式的改進(jìn)[J].中國制造業(yè)信息化,2011,40(15):35-37.

SHAO Ke-feng, Research on the amelioration of Thermal Mode of a High-power Amplifier Based on ICEPAK Software[J].Manufacture Information Engineering of China,2011,40(15):35-37.

[3]周元,馮雯雯,向敏,基于Icepak的功率芯片散熱結(jié)構(gòu)熱阻計(jì)算[J].微電子學(xué),2012,41(6):897-905.

ZHOU Yuan,FENG Wenwen,Xiang Min,Calculation of Thermal Resistance of Heat Sink for Power IC Based on Icepak[J].Microele ctronics,2012,4(16):897-905.

[4]於洪標(biāo),X波段T/R組建功率放大器芯片的熱設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2010,3(4):74-78.

YU Hong-biao.Thermal design of power ampli- fier chip in X-band T/R module[J].Modern Rada,2010,3(4):74-78.

[5]Mahalingam M,Mares E.Thermal Measurement Methodology of RF Power Amplifiers[J].Freescale Semiconductor Application Note,AN1955 Rev.0,1/2004.

[6]尤江,欒鵬文,基于Icepak的電子設(shè)備熱分析與改進(jìn)[J].建筑電器,2012(11):58-62.

YOU Jiang, LUAN Peng-wen, Icepak-based Thermal Analysis and Improvement in Electronic Equipment[J].Building Elcetricity,2012(11):58-62.

Thermal design of power amplif i er chip based on icepak

PANG Li-fei
（School of Physical Electronics, UESTC, Chengdu610054, China）

There was a thermal model established for the packaged power IC chip which is usually used in the design of A class amplifier. After the theoretical analysis of the equivalent chip thermal resistance model carried out on the basis of thermal resistance theory，the optimization and calculation of substrate ,die bond&the base's material and thickness were simulated with Icepak. The acceptable thermal structure of was showed as suggestions for the reliability of chip with discussions of the simulation.

thermal design; power IC; Icepak; optimization

TN722.7

A

1674-6236(2014)07-0174-03

2013-08-28稿件編號(hào)201308189

逄立飛(1988—)，男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：毫米波與亞毫米波器件，射頻元件散熱結(jié)構(gòu)分析。