一种新型封装材料的热耗散能力分析与验证
发布时间：2019-07-16 10:45
【摘要】：随着器件功率密度的不断提升,散热问题已成为微电子器件封装失效的主要原因之一。金刚石/铜(CuC)复合材料具有较高的热导率,可作为新一代散热材料应用于高功率密度器件的封装中。本文采用有限元分析(FEA)的方法对比了一款功耗为70 W的Ga N器件在应用不同热沉材料封装后的芯片结温和结-壳热阻,采用红外热成像仪测试了该款器件在使用新型金刚石/铜材料和常规的多层复合材料铜-钼铜-铜(Cu-Mo Cu-Cu,CPC)作为热沉后的结-壳热阻。结果表明,相比其他热沉材料,CuC可以大幅度降低芯片结温,在器件正常工作的条件下,采用CuC热沉材料的芯片热阻较采用CPC热沉材料的芯片热阻低19.74%,CuC热沉的热耗散能力高达4 464 W/cm~2。
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图片说明： 4－6］。芯片封装的热特性通常采用结－壳热阻来衡量，以此表征封装体本身的散热能力。对特定产品进行热阻分析时，应根据相应的应用条件，选择合适的仿真方法。本文采用有限元软件ANSYSWork-bench分析了CPC和CuC两种热沉的结－壳热阻，对比了多种材料的散热能力，同时对实际封装的器件进行测试，并将实测与仿真结果相互对比验证，结果表明，相同条件下CuC比CPC的热阻小，且在多种常用材料中CuC散热性能最好。1热沉材料本文实验基于一款功耗为70W，工作频率在L波段的GaNHEMT功率器件管壳进行，管壳的三维模型如图1所示。模型主要包括芯片、焊接层、金属热沉、陶瓷墙体、封口环和引线。此管壳的热沉总厚度为1.52mm，热沉材料一直沿用传统的三层复合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文实验采用的新型热沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)两种热沉材料的结构形貌如图2所示。实验中使用的CuC复合材料的热导率为616.13W/(m·K)，金刚石体积分数为60%，金刚石粒径约为100μm，金刚石颗粒均匀分布在铜基体中。图1三维仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)热沉形貌(b)CuC热沉形貌图2两种热沉材料的形貌图Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型图1所示的仿真模型中，GaN功率芯片的尺寸为6.22mm×0.83mm，有源区面积为2.24mm2，芯片总厚度为100μm，芯片与热沉通过Au80Sn20焊料连接。在垂直于芯片方向传热时，热阻与厚度呈正比，由于焊料层相对较薄，因此焊料界面热阻值非常小，对整体热阻影响很小，仿真时忽略焊料界面的接触热阻［7］。模型中各部分的材料参数如表1所示［3］。表1模型各部分材料参数［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名称材料热导率/(W·m－1·K－1
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图片说明： ?对比了多种材料的散热能力，同时对实际封装的器件进行测试，并将实测与仿真结果相互对比验证，结果表明，相同条件下CuC比CPC的热阻小，且在多种常用材料中CuC散热性能最好。1热沉材料本文实验基于一款功耗为70W，工作频率在L波段的GaNHEMT功率器件管壳进行，管壳的三维模型如图1所示。模型主要包括芯片、焊接层、金属热沉、陶瓷墙体、封口环和引线。此管壳的热沉总厚度为1.52mm，热沉材料一直沿用传统的三层复合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文实验采用的新型热沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)两种热沉材料的结构形貌如图2所示。实验中使用的CuC复合材料的热导率为616.13W/(m·K)，金刚石体积分数为60%，金刚石粒径约为100μm，金刚石颗粒均匀分布在铜基体中。图1三维仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)热沉形貌(b)CuC热沉形貌图2两种热沉材料的形貌图Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型图1所示的仿真模型中，，GaN功率芯片的尺寸为6.22mm×0.83mm，有源区面积为2.24mm2，芯片总厚度为100μm，芯片与热沉通过Au80Sn20焊料连接。在垂直于芯片方向传热时，热阻与厚度呈正比，由于焊料层相对较薄，因此焊料界面热阻值非常小，对整体热阻影响很小，仿真时忽略焊料界面的接触热阻［7］。模型中各部分的材料参数如表1所示［3］。表1模型各部分材料参数［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名称材料热导率/(W·m－1·K－1)芯片GaN200(25℃)160(125℃)68(300℃)焊接层Au80Sn2057封口环、引线Kovar17.2瓷件Al2O3陶瓷15.7热沉CPC(1∶4∶1)220CuC616.13
【作者单位】： 中国电子科技集团公司第十三研究所;河北中瓷电子科技有限公司;
【分类号】：TN405
本文编号：2515035
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图片说明： 4－6］。芯片封装的热特性通常采用结－壳热阻来衡量，以此表征封装体本身的散热能力。对特定产品进行热阻分析时，应根据相应的应用条件，选择合适的仿真方法。本文采用有限元软件ANSYSWork-bench分析了CPC和CuC两种热沉的结－壳热阻，对比了多种材料的散热能力，同时对实际封装的器件进行测试，并将实测与仿真结果相互对比验证，结果表明，相同条件下CuC比CPC的热阻小，且在多种常用材料中CuC散热性能最好。1热沉材料本文实验基于一款功耗为70W，工作频率在L波段的GaNHEMT功率器件管壳进行，管壳的三维模型如图1所示。模型主要包括芯片、焊接层、金属热沉、陶瓷墙体、封口环和引线。此管壳的热沉总厚度为1.52mm，热沉材料一直沿用传统的三层复合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文实验采用的新型热沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)两种热沉材料的结构形貌如图2所示。实验中使用的CuC复合材料的热导率为616.13W/(m·K)，金刚石体积分数为60%，金刚石粒径约为100μm，金刚石颗粒均匀分布在铜基体中。图1三维仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)热沉形貌(b)CuC热沉形貌图2两种热沉材料的形貌图Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型图1所示的仿真模型中，GaN功率芯片的尺寸为6.22mm×0.83mm，有源区面积为2.24mm2，芯片总厚度为100μm，芯片与热沉通过Au80Sn20焊料连接。在垂直于芯片方向传热时，热阻与厚度呈正比，由于焊料层相对较薄，因此焊料界面热阻值非常小，对整体热阻影响很小，仿真时忽略焊料界面的接触热阻［7］。模型中各部分的材料参数如表1所示［3］。表1模型各部分材料参数［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名称材料热导率/(W·m－1·K－1
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图片说明： ?对比了多种材料的散热能力，同时对实际封装的器件进行测试，并将实测与仿真结果相互对比验证，结果表明，相同条件下CuC比CPC的热阻小，且在多种常用材料中CuC散热性能最好。1热沉材料本文实验基于一款功耗为70W，工作频率在L波段的GaNHEMT功率器件管壳进行，管壳的三维模型如图1所示。模型主要包括芯片、焊接层、金属热沉、陶瓷墙体、封口环和引线。此管壳的热沉总厚度为1.52mm，热沉材料一直沿用传统的三层复合材料CPC(厚度比1∶4∶1)，本文实验采用的新型热沉材料CuC和CPC(1∶4∶1)两种热沉材料的结构形貌如图2所示。实验中使用的CuC复合材料的热导率为616.13W/(m·K)，金刚石体积分数为60%，金刚石粒径约为100μm，金刚石颗粒均匀分布在铜基体中。图1三维仿真模型Fig.13DSimulationmodel(a)CPC(1∶4∶1)热沉形貌(b)CuC热沉形貌图2两种热沉材料的形貌图Fig.2Morphologyoftwoheatsinks2有限元仿真2.1仿真模型图1所示的仿真模型中，，GaN功率芯片的尺寸为6.22mm×0.83mm，有源区面积为2.24mm2，芯片总厚度为100μm，芯片与热沉通过Au80Sn20焊料连接。在垂直于芯片方向传热时，热阻与厚度呈正比，由于焊料层相对较薄，因此焊料界面热阻值非常小，对整体热阻影响很小，仿真时忽略焊料界面的接触热阻［7］。模型中各部分的材料参数如表1所示［3］。表1模型各部分材料参数［3］Tab.1Materialparametersofthemodel［3］名称材料热导率/(W·m－1·K－1)芯片GaN200(25℃)160(125℃)68(300℃)焊接层Au80Sn2057封口环、引线Kovar17.2瓷件Al2O3陶瓷15.7热沉CPC(1∶4∶1)220CuC616.13
【作者单位】： 中国电子科技集团公司第十三研究所;河北中瓷电子科技有限公司;
【分类号】：TN405
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