基于Icepak的放大器芯片熱設計與優(yōu)化

摘要：針對微波電路A類放大器常用的功率放大器芯片，建立了芯片內部封裝后的散熱模型。基于熱阻理論，在對放大器芯片等效熱阻做熱分析的基礎上，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行優(yōu)化，分析各個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計結果。

關鍵詞：熱設計;功率芯片;Icepak;優(yōu)化

在微波放大電路中，功率芯片是整個電路最為核心的部分。芯片中大量的半導體器件在工作時會產生大量的熱量。芯片如果在封裝過程中散熱效率達不到要求的話，積累的熱量會影響器件特性，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、板級到器件級不同類型的熱分析平臺，其求解過程基于fluent求解器，可以計算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同的過程。強大的后處理可以用云圖直觀地輸出各個參量。相對于傳統(tǒng)的熱設計方案，基于Icepak的仿真優(yōu)化設計方法可以節(jié)約成本和縮短研制修改周期，提高產品的一次成功率和提前上市時間。

文中在介紹熱阻理論的基礎上，詳細地介紹了Icepak軟件建模、網格劃分、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芯片最高溫度并分析原因，總結并給出最優(yōu)化的熱設計結果。

1 典型功率芯片封裝結構和等效熱阻模型

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生的溫度差，其表達是表示為：

R=△T/P (1)

對于熱導率為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構示意圖。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。半導體裸芯片滿負荷工作時的內熱阻Rjc可以由生產商提供的手冊查到，本文主要通過改變焊料、墊盤和基板的材料和厚度進行優(yōu)化，減小芯片的外部熱阻Rout使得芯片可以適應更加復雜的熱環(huán)境，以達到結構和工藝最優(yōu)化的目的。

對流和輻射對于芯片產生的熱量散熱貢獻很小，所以優(yōu)化過程中我們只考慮熱傳導過程。芯片的邊長為11，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，我們取各層的上表面面積作為截面面積來計算熱阻。根據式(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、墊盤和基板的導熱系數。

由公式(3)我們可以得到在更換不同導熱系數的材料和更改各層材料的厚度時候，都會對熱阻產生影響。而通過優(yōu)化使熱阻達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)理論計算優(yōu)化方法在面對復雜模型時工作量十分巨大，故本文采用ANAYS公司的Icepak軟件作為優(yōu)化設計工具。

2 Icepak建模

Icepak是專業(yè)的熱設計軟件，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)化計算可以對存在多個變量的模型自動優(yōu)化，并可以定義多種輸出函數來輸出想要的結果。

圖2是根據表1在Icepak中建立的簡化模型并進行網格劃分。由于芯片厚度Y遠小于其X尺寸，所以在Y方向最小網格邊長是X方向上的十分之一。

3 計算與優(yōu)化

表格2給出了各個結構常用的材料和導熱率。芯片熱參數如下：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到的最高溫度為：

Tcmax=150℃-7.8℃/W×4.5 W=114.9 ℃

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，通過改變厚度和材料時，Icepak優(yōu)化計算結果整理如下：

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。而且當鉛錫焊料層厚度為0.1 mm時，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，溫度隨純銅墊盤厚度增加而降低，銅片厚度為0.1 mm時，最低點為89 ℃，采用鉬銅合金墊盤時溫度隨著鉬銅厚度呈現先降低后升高的

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，IceDak通過優(yōu)化焊料、墊盤和底板3個變量的厚度和材料得出了如下最優(yōu)化結構。

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，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 結束語

本次優(yōu)化設計采用Icepak，在設定變量焊料、墊盤和底板的材料和變化范圍之后，Icepak自動進行優(yōu)化并保存了所有的計算結果，最后給出可以使芯片具有最低溫度的結果。與以往芯片優(yōu)化方法相比更智能，優(yōu)化結果對于芯片封裝廠商生產高性能芯片具有參考價值。