陳仕軍

（潮州三環(huán)（集團）股份有限公司，廣東 潮州 521000）

鋁酸鋅的化學(xué)名稱為ZnAl2O4，在鋁酸鋅陶瓷中一種純相呈現(xiàn)白色陶瓷是新型的陶瓷材料，為進入新世紀后才得以研究發(fā)展的，在性能和晶體方面與其相像的是一種MgAl2O4陶瓷，其顏色也呈現(xiàn)白色，被稱作鎂鋁尖晶石，基于構(gòu)成2種陶瓷材料的共同晶體是尖晶石，我們對這種天然礦物的利用歷史已經(jīng)很久，是寶石生產(chǎn)的原材料之一。而構(gòu)成尖晶石的物質(zhì)為MgAl2O4，是硬度極大的礦物，可達到8以上的莫氏硬度，基于雜質(zhì)因素特征而表現(xiàn)諸多顏色。以往，很少有研究者全面系統(tǒng)地研究過以ZnAl2O4類型的尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷材料，直到最近幾年，研究者才發(fā)現(xiàn)了這種材料的優(yōu)勢，不僅導(dǎo)熱和介電性能極佳，還具備一定的機械強度，有望成為陶瓷導(dǎo)熱基板材料家族中的新寵。

1 鋁酸鋅陶瓷的研究狀況

最早報道ZnAl2O4和MgAl2O4這2種尖晶石結(jié)構(gòu)鋁酸鹽材料的時間是2004年，而這2種介電陶瓷材料研究最早的國家是印度。2004年Surendran等人發(fā)表了ZnAl2O4的研究信息,相繼在2005年MgAl2O4的研究信息也發(fā)表，該研究對這2種材料的介電性能進行了介紹。針對降低ZnAl2O4陶瓷溫度的研究，Qinl等人在2019年嘗試運用LMZBS(Li2OMgO-ZnO-B2O3-SiO2)玻璃做實驗，顯示當LMZBS玻璃的總質(zhì)量中達到2/3摻雜量時，能夠把ZnAl2O4-LMZBS的復(fù)合材料燒結(jié)溫度下降到920℃，而此刻，這2種材料的復(fù)合體已經(jīng)轉(zhuǎn)化為Mg2b2O5和Li2ZnSiO4，Q×f作為材料的品質(zhì)因數(shù)惡化值也達到34100GHz。實驗顯示，玻璃對 ZnAl2O4的燒結(jié)效果較差,不僅摻雜量大，更大幅度降低其品質(zhì)[1]。

2 ZnAl2O4基陶瓷基板的優(yōu)勢

電子封裝基板的制造材料陶瓷基板等，可以支撐和絕緣電路和元器件，之所以陶瓷材料材料應(yīng)用廣泛，它具有以下性能優(yōu)勢：1）良好的絕緣性能。因為非金屬晶體的屬性，陶瓷材料的電阻率很低，不用另外的絕緣處理，因為生產(chǎn)基板容易而成本低。2）優(yōu)良的高頻特征，因為陶瓷材料介電常數(shù)較小，也因為非常低的損耗角正切值形成了高品質(zhì)因數(shù)，所以表現(xiàn)很低的信號延遲促進了信號傳輸速度的提升。同時，非常小的介電損耗會減少高頻率作業(yè)產(chǎn)生的熱量，所以更適合應(yīng)用在5G、宇宙航天通信等高頻行業(yè)。3）熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢，在不斷變化的工作溫度下，相匹配的熱膨脹系數(shù)可以有效保護芯片穩(wěn)定地與其他電子元件的連接，不會發(fā)生脫焊，減輕了電子系統(tǒng)被熱應(yīng)力影響的程度。4）高熱導(dǎo)率的優(yōu)勢，陶瓷材料的熱導(dǎo)率遠遠超過傳統(tǒng)的（（C11H12O3）n）塑料基板，可達0.4 W/（m·K）的差異幅度，特別是一些立方晶系的陶瓷材料理論上的熱導(dǎo)率能夠超過金屬。

3 ZnAl2O4基板與其他材質(zhì)基板在不同工況下散熱能力研究

ZnAl2O4基陶瓷材料一種具有良好導(dǎo)熱與介電性能的電子封裝基板材料。該文將構(gòu)件試驗用的基板物理模型，將該類型的鋁酸鋅材料與業(yè)界普遍使用的2種電子封裝基板材料共同使用作為模型基板，在此基礎(chǔ)上利用模擬試驗比較不同操作環(huán)境下不同導(dǎo)熱率基板材料的散熱效果，進行ZnAl2O4基陶瓷材料性能的驗證。

3.1 基板的三維模型

基于該文是以基板材料的熱導(dǎo)率為主要研究課題核心，并非是以優(yōu)化基板結(jié)構(gòu)設(shè)計為重點，所以，有必要簡化基板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，更有助于仿真計算。模型的尺寸見表1。

表1 基板物理模型部件規(guī)格

3.2 計算等效熱導(dǎo)率

在以上的物理模型中芯片的形式為沒有封裝的裸芯片狀態(tài)，因此必須等同芯片本身熱導(dǎo)率和芯片材料的熱導(dǎo)率，芯片材料熱導(dǎo)率為Si，大約是155W/（m·K）[2]，在該模型仿真中，采用的鋁酸鋅陶瓷材料的熱導(dǎo)率大約18.97 W/（m·K），同時還采用了另外2種材料進行仿真對比試驗，其中環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率為0.31W/（m·K），低溫共燒陶瓷材料熱導(dǎo)率大約為3.3W/（m·K）。考慮到基板結(jié)構(gòu)特點，基板的熱導(dǎo)率不能是以上3種材料的熱導(dǎo)率，而是要計算3種材料采用的實際基板結(jié)構(gòu)，然后得出基板的等效熱導(dǎo)率。計算公式如公式（1）所示。

式中：λ1為銅的熱導(dǎo)率；λ2代表基板基材的熱導(dǎo)率；v1為銅層厚度與整體基板厚度的比例，也就是0.053。

表2是電子系統(tǒng)各部分的熱導(dǎo)率情況。

表2 基板各結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率

3.3 設(shè)計散熱模型

通常情況下有3種傳熱模式，即熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流。該文的試驗需要在仿真模型中應(yīng)用這3種傳熱模式。

其中熱傳導(dǎo)散熱可以在基板內(nèi)部進行，散熱的范圍可以是芯片與散熱基板之間、基板內(nèi)部和芯片內(nèi)部；芯片和基本與空氣間的熱交換是通過熱輻射完成的，傳熱方式主要是一種熱交換，表現(xiàn)在空氣與基板和芯片之間的熱交換，在50 ℃以上就必須引起重視[3]。基于設(shè)定26℃的室溫，所以可以不去考慮空氣熱輻射基板的情況。但要關(guān)注基板傳熱給空氣的狀況，可以設(shè)定為0.72的輻射率。實現(xiàn)熱對流的途徑是空氣在基板表面流動，基于溫存在一定的溫差基板熱量會被空氣帶走。不一樣的對流速度產(chǎn)生的效果也不同。

4 仿真模擬與結(jié)果分析

4.1 導(dǎo)入模型和設(shè)定參數(shù)

試驗的模型通過SolidWorks設(shè)計完成后，在ANSYS有限元分析軟件中將建好的模型導(dǎo)入，設(shè)計理想邊界條件，然后設(shè)定芯片發(fā)熱功率和基板各部分材料熱導(dǎo)率，再進行基板附近環(huán)境變量的設(shè)定，包括風(fēng)速、溫度等，隨后進行迭代計算，模擬一百次迭代[4]，迭代的目的是通過在計算開始時加入勢能熱輸入量和多種形式的傳熱速率等瞬態(tài)量，物理量輸出相對穩(wěn)定，模擬過程由開始的熱不穩(wěn)定到最后的熱平衡，這也意味瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)熱分析的過程。

4.2 分析模擬結(jié)果

該文模擬的2種信息狀態(tài)為芯片熱功率的設(shè)定和環(huán)境風(fēng)速，一般情況下芯片正常工作不能高于86℃，突破這個極限就會顯著增加各種故障發(fā)生的概率。

4.2.1 室內(nèi)芯片小功耗模擬

針對該狀態(tài)，芯片熱功率可以設(shè)定為1 W，環(huán)境風(fēng)速為0 m/s，詳細數(shù)據(jù)如圖1所示。

從圖1中可以看出，在低功耗，在無風(fēng)介入的散熱狀態(tài)下，自然散熱也就是無風(fēng)的條件下，環(huán)氧樹脂基板的芯片已經(jīng)臨近86 ℃的限值，工作可以勉強進行，而LTCC與ZnAl2O4基陶瓷基板都可以在室內(nèi)小功率芯片的條件下輕松作業(yè)。而且分析基板各部分溫差，使用材料的熱導(dǎo)率越高基板各部件間的溫差就越不明顯，可以有效避免基板熱力變形現(xiàn)象的產(chǎn)生。相反，環(huán)氧樹脂基板各部分已經(jīng)接近80℃的最大溫差，長此已久就會發(fā)生一些熱應(yīng)力故障。

圖1 不同材料的基板在芯片熱功耗1 W

4.2.2 室內(nèi)芯片中功耗模擬

針對這種情況，可以設(shè)定芯片功耗為4.3 W，環(huán)境風(fēng)速設(shè)置為0 m/s，在室內(nèi)采用中功耗進行工作，低溫共燒陶瓷和環(huán)氧樹脂芯片的溫度明顯突破了工作溫度的極限，而ZnAl2O4基陶瓷基板芯片的溫度卻一直在正常的工作溫度內(nèi)，足以顯示其散熱性能良好。而且隨著不斷增大的功率，也會逐漸將不同熱導(dǎo)率材料的芯片的溫差拉大[5]。中、低熱導(dǎo)率基板各部分的溫差也隨拉伸距離的增大而增大。不難看出，不具備輔助散熱的中等熱功耗芯片在在室內(nèi)使用的難度很大。因為該狀態(tài)下，中等熱功耗芯片沒有輔助的情況下散熱有很大難度。因為該狀態(tài)下，部分熱量由緩慢的熱空氣上升發(fā)出，并通過芯片表面與基板和空氣之間的溫差散發(fā)熱量。在自然對流（無風(fēng)）的情況下，周圍區(qū)域的溫度低于芯片上表面附近的空氣溫度，所以大量熱量會向芯片表面附近的空氣轉(zhuǎn)移，向外擴散不暢?；迳系男酒瑴囟茸兊梅浅８?，因為正上方空氣的緩慢對流將熱量帶走。針對這種情況，在接下來的一組實驗中，工作人員對在室外通風(fēng)環(huán)境下的工作狀況進行模擬，這樣的條件更接近芯片在室外的應(yīng)用環(huán)境。

4.2.3 室外芯片中功耗模擬

針對該狀態(tài)，可以將芯片的熱功耗設(shè)定為4.2 W，設(shè)定環(huán)境風(fēng)速為3.6 m/s，該風(fēng)速等同于外界23級風(fēng)的速度。詳細數(shù)據(jù)見圖2所示。

圖2 材料不同的基板特定熱功耗和風(fēng)速下的溫度狀況

從圖2可以看出，在外界通風(fēng)的情況下利用中功耗，終于將環(huán)氧樹脂基板上的芯片的溫度降低到極限以下，同時顯著下降的還有LTCC基板芯片溫度，而ZnAl2O4基陶瓷基板芯片溫度已經(jīng)降到39℃以下。由此可見，在風(fēng)的作用下，基板上的溫度難以對稱分布，并且顯示溫度在風(fēng)來向時低，在去向時偏高，這種情況可以根據(jù)空氣的熱流分布規(guī)律進行解釋。在強制對流（通風(fēng)）條件下，芯片上方空氣的溫差小于無風(fēng)時的溫差，因為流動空氣會將沿芯片周圍方向的熱量帶走。通過試驗不難看出，基板和芯片附近的空氣呈現(xiàn)較低的溫度，而進入芯片的空氣溫度較高，因為先前流動中交換的熱量被它攜帶著，這也是基板溫度不均勻的關(guān)鍵所在。從實驗可以看出，芯片和基板周圍的風(fēng)的空氣溫度較低，進入芯片的空氣更高，因為基本周圍的的定向氣流，芯片表面和基板的熱量可以被空氣去除，所以，如果是強制流動的工作環(huán)境，芯片的工作會很穩(wěn)定，這也是利用冷卻風(fēng)扇對CPU等芯片進行冷卻的原理。為了測試高導(dǎo)熱基板材料的熱容量極限，繼續(xù)增加芯片的熱能消耗，在恒風(fēng)速條件下進行下一組對比實驗。

4.2.4 室外芯片高功率模擬

在該狀態(tài)下，可以將芯片的熱功率設(shè)定為15.8W，風(fēng)速環(huán)境設(shè)定為3.6m/s，在室外通風(fēng)條件下的高功耗工作，沒有突破極限工作溫度的基板芯片溫度是ZnAl2O4基陶瓷，而LTCC和環(huán)氧樹脂基板上芯片都突破了極限的工作溫度，不同熱導(dǎo)率的基板芯片的溫差大于中等功耗芯片的溫差。每個基板不同部分之間的溫差也在增加，即使在通風(fēng)換熱緩解的高熱導(dǎo)率板上，溫度也高達69 ℃。

5 結(jié)論

該文對擁有極佳熱導(dǎo)率陶瓷材料、業(yè)界廣泛使用的中熱導(dǎo)材料LTCC以及熱導(dǎo)率較低的環(huán)氧樹脂進行針對基板散熱情況的模擬試驗設(shè)計，對比模擬試驗了不同環(huán)境風(fēng)速與不同芯片熱功耗的場景，結(jié)果顯示，該文重點介紹的新型鋁酸鋅導(dǎo)熱材料可以切實滿足不同環(huán)境和芯片熱功率不一樣狀態(tài)下的需求。在高功耗以及外界超強的對流散熱下，該材料具有優(yōu)勢，因此新研發(fā)的 ZnAl2O4基導(dǎo)熱陶瓷材料應(yīng)用前景非常廣闊。