基于Icepak的放大器芯片熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘要：針對(duì)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(nèi)部封裝后的散熱模型?；?strong>熱阻理論，在對(duì)放大器芯片等效熱阻做熱分析的基礎(chǔ)上，采用Icepak對(duì)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(duì)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。

關(guān)鍵詞：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(guò)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。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(lèi)型的熱分析平臺(tái)，其求解過(guò)程基于fluent求解器，可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同的過(guò)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(duì)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(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(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：

R=△T/P (1)

對(duì)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(guò)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(cè)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(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(duì)流和輻射對(duì)于芯片產(chǎn)生的熱量散熱貢獻(xiàn)很小，所以優(yōu)化過(guò)程中我們只考慮熱傳導(dǎo)過(guò)程。芯片的邊長(zhǎng)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?nèi)「鲗拥纳媳砻婷娣e作為截面面積來(lái)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(pán)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(duì)熱阻產(chǎn)生影響。而通過(guò)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(duì)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(kù)。并支持使用者新建材料。其提供的多變量?jī)?yōu)化計(jì)算可以對(duì)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(lái)輸出想要的結(jié)果。

圖2是根據(jù)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(yuǎn)小于其X尺寸，所以在Y方向最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)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。芯片熱參數(shù)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(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：

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(jì)算結(jié)果整理如下：

由圖3(a)可知，對(duì)于金錫合金焊料，芯片溫度隨著焊料層厚度增加而降低，對(duì)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(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(shì)，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(jié)果

針對(duì)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(jié)構(gòu)。

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(wěn)定性工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)采用Icepak，在設(shè)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(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(duì)于芯片封裝廠商生產(chǎn)高性能芯片具有參考價(jià)值。