倒裝芯片集成電力電子模塊的熱設(shè)計

王建岡, 阮新波(1. 鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院, 江蘇鹽城224003 ; 2. 南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院, 南京210016)

摘　要: 　將倒裝芯片( Flip Chip , FC) 技術(shù)引入三維集成電力電子模塊( Integrated Power Electronic Module , IPEM) 的封裝,可構(gòu)建FC2IPEM。在實驗室完成了由兩只球柵陣列芯片尺寸封裝MOSFET 和驅(qū)動、保護(hù)等電路構(gòu)成的半橋FC2IPEM。針對半橋FC2IPEM ,建立半橋FC2IPEM 的一維熱阻模型,分析模塊主要的熱阻來源。運用FLOTHERM 軟件進(jìn)行三維仿真,得到模塊溫度分布結(jié)果,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 　電力電子; 倒裝芯片; 三維封裝; 熱設(shè)計

中圖分類號: TN42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100423365 (2009) 0420465205
Thermal Design of Integrated Power Elect ronics Module Using Flip2Chip Technology

WAN GJ iangang1 , RUAN Xinbo2
(1. Col lege of Elect rical Engineering , Yancheng I nstitute of Technology , Yancheng , J iangsu 224003 , P. R. China;
2. Col lege of A utomat ion Engineering , N anj ing Universi t y of A eronautics & Ast ronautics , N anj ing 210016 , P. R. China )

Abstract : 　Flip chip ( FC) technology was used for packaging three2dimensional integrated power elect ronics module ( IPEM) to fabricate FC2IPEM. A half2bridge ( HB) FC2IPEM consisting of two ball2grid array chip2size packaged MOSFETs , corresponding gate driver and protection circuit s was realized. One2dimensional thermal resistance model of HB FC2IPEM was built to analyze thermal resistance source. Simulation was made by using FLOTHERM to obtain thermal dist ribution of the module , and design st rategies to optimize thermal behavior of the module were given.
Key words : 　Power elect ronics ; Flip chip ; Three dimensional packaging ; Thermal design
EEACC: 　1210

1 　引言
在電力電子系統(tǒng)中,采用具有標(biāo)準(zhǔn)功率、熱、控制接口的三維高功率密度封裝集成電力電子模塊( IPEM) 取代各分立元器件,可實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高可靠性、高功率密度、高效率以及低成本[124 ] 。
造成電力電子模塊失效的原因很多: 高溫、振動、潮濕和灰塵等。其中,高溫是最重要的因素,導(dǎo)致材料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分變化,其形式有交界面分離、芯片和基板破裂、互連失效等。溫度增加,失效率呈指數(shù)增長趨勢。模塊的熱設(shè)計已成為熱傳輸技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。
傳統(tǒng)的熱設(shè)計是在模塊完成后,如果出現(xiàn)熱問題,通過經(jīng)驗類比或應(yīng)用有限的傳熱公式進(jìn)行估計,然后再進(jìn)行試驗,這樣交替完成整個熱設(shè)計過程。
其缺點是結(jié)果不夠精確,且設(shè)計周期長,成本高。
隨著電子設(shè)備要求開發(fā)周期短、成本低,需要在產(chǎn)品的預(yù)研和開發(fā)階段解決熱設(shè)計問題,對熱設(shè)計方案進(jìn)行全面的可行性分析和優(yōu)化設(shè)計,準(zhǔn)確預(yù)計設(shè)計結(jié)果。借助于計算流體力學(xué)的熱設(shè)計仿真分析軟件,可以快速而準(zhǔn)確地得到模塊的熱設(shè)計分析結(jié)果,據(jù)此可對模塊的器件布局、風(fēng)道設(shè)計、風(fēng)扇選型、材料選擇、散熱器設(shè)計等提供直觀而準(zhǔn)確的依據(jù),從而加快熱設(shè)計的速度并提高設(shè)計質(zhì)量[528 ] 。
3D 高功率密度封裝IPEM 結(jié)構(gòu)緊湊,熱量集中,容易形成過熱。熱設(shè)計是三維高功率密度封裝技術(shù)的關(guān)鍵, 直接影響IPEM 的性能、可靠性和成本。
文獻(xiàn)[9 ]將倒裝芯片( FC) 技術(shù)引入三維IPEM的封裝,采用球柵陣列(BGA) 芯片尺寸封裝器件,構(gòu)建半橋( HB) FC2IPEM。FC2IPEM 采用三維封裝結(jié)構(gòu),包含基板、焊接材料、下填充材料、熱傳導(dǎo)密封材料等多種不同特性的材料。本文將對FC2IPEM 進(jìn)行熱分析,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據(jù)。
2 　熱設(shè)計基礎(chǔ)
2. 1 　熱傳輸原理
熱力學(xué)第二定律指出:只要存在溫度差,熱能就會從高溫點流向低溫點。
熱能的流動可表示為:
　　Φ=ΔT/ RT (1)
式中,Φ 為單位時間傳輸?shù)臒崃? 即熱流量(W) ;ΔT 為溫度差( ℃) ; RT 為熱阻( ℃/ W) ,常用來評估物體的傳熱性能。由此可得,在Φ一定時,要降低溫度差,必須減小對應(yīng)的熱阻。
熱能傳輸?shù)幕痉绞绞莻鲗?dǎo)、對流和輻射[10 ] 。
三種熱傳輸方式往往同時存在,熱傳輸是多維的。
在具體情況下,可忽略次要因素進(jìn)行簡化分析。

2. 2 　冷卻技術(shù)
冷卻技術(shù)可分為主動冷卻技術(shù)和被動冷卻技術(shù)[11 ] 。主動冷卻系統(tǒng)本身需要能量,可提供高制冷容量,將溫度控制到大氣(環(huán)境) 溫度之下。主動冷卻系統(tǒng)可以較少使用風(fēng)冷,甚至不用風(fēng)扇。氣體/ 液體強(qiáng)迫對流冷卻、半導(dǎo)體致冷片、冷卻循環(huán)系統(tǒng)等是典型的主動冷卻技術(shù)。被動冷卻技術(shù)包括:1) 采用高導(dǎo)熱率材料替代低導(dǎo)熱率交界面材料;2) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)和布局;3) 封裝中采用有效的傳熱器和散熱器;4)將利用相變原理工作的熱管集成于電力電子模塊的封裝中。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊的IPEM ,被動冷卻技術(shù)更為適用。
2. 3 　熱設(shè)計
熱設(shè)計主要考慮如何將元器件產(chǎn)生的熱量以低
熱阻路徑散發(fā)出去,保證電力電子模塊在規(guī)定的極限環(huán)境溫度內(nèi)長期可靠地工作。采用先進(jìn)合理的電路拓?fù)浜瓦x用低功率損耗元器件,可減小電路的損耗。元器件的內(nèi)部熱阻主要取決于封裝結(jié)構(gòu)、尺寸和材料,當(dāng)器件封裝完成后,芯片到外殼的熱阻幾乎不會改變。由封裝外殼到外界環(huán)境的熱阻,可采用不同的方式來改善。電路拓?fù)浜驮骷坏┻x定,熱設(shè)計的主要內(nèi)容就是熱傳輸路徑設(shè)計。

3 　FC2IPEM 的熱設(shè)計
3. 1 　結(jié)構(gòu)
半橋FC2IPEM 中,功率MOSFET 芯片夾在高導(dǎo)熱率基板(底層) 和雙面PCB (頂層) 之間。采用FC 技術(shù),芯片的有源區(qū)通過焊料凸點實現(xiàn)與PCB底面對應(yīng)焊盤的連接。芯片的背面焊接到底層基板。在焊料凸點周圍,芯片與基板之間的縫隙進(jìn)行下填充。在PCB 和底層基板之間填上熱傳導(dǎo)包封材料。最后,采用表面貼裝技術(shù),將驅(qū)動、保護(hù)等電路器件焊接到PCB 的上面。在半橋FC2IPEM 中,焊料凸點互連取代傳統(tǒng)的引線鍵合,垂直的三維封裝結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的平面封裝結(jié)構(gòu)。
在實驗室完成了由兩只B GA 芯片尺寸封裝MOSFET 和驅(qū)動、保護(hù)等電路構(gòu)成的半橋FC2IPEM ,如圖1 所示。半橋FC2IPEM 的主要材料為:1) MOSFET ( FDZ3547N) ;2) 頂層基板: FR24基板,厚0. 6 mm ;3) 底層基板:鋁基板。半橋FC2IPEM 的底板尺寸為50 mm ×50 mm。
3. 2 　損耗分析
應(yīng)用半橋FC2IPEM 構(gòu)成同步整流Buck 變換器,電路原理如圖2 所示。在電流連續(xù)模式,控制管Q1 工作在硬開關(guān)狀態(tài),同步整流管Q2 實現(xiàn)零電壓開通。損耗分析結(jié)果:同步整流Buck 變換器輸出12 V/ 3 A 時,同步整流管Q2 的損耗為0. 499 W ,控制管Q1 的損耗為0. 658 W。
3. 3 　一維熱阻模型
FC2IPEM 的第一熱傳輸路徑為:芯片的有源區(qū)產(chǎn)生的熱量,以傳導(dǎo)的方式,經(jīng)過芯片、焊料再傳輸?shù)降讓踊?最后通過對流或輻射向大氣散發(fā)。第二熱傳輸路徑為:以傳導(dǎo)的方式,芯片產(chǎn)生的熱量通過焊點和下填充材料傳輸至PCB ,然后通過對流或輻射向大氣散發(fā)。
分析模塊的熱分布情況時,一維熱阻模型可在較短時間內(nèi)給出各物理層的情況。

3. 4 　三維熱分析
半橋FC2IPEM 采用三維封裝結(jié)構(gòu),包含基板、焊接材料、下填充材料等多種不同特性的材料。一維熱阻模型不能全面反映模塊的實際情況,需要采用三維熱分析。熱分析軟件主要有FLOTHERM、ICEPA K、I2DEAS 等,本文研究采用FLOTHERM。

3. 4. 1 　FLOTHERM 軟件
FLOTHERM 采用計算流體力學(xué)仿真技術(shù),擁有大量專門針對電子工業(yè)的模型庫。應(yīng)用FLOTHERM ,可以從電子系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境層、電子系統(tǒng)層、各電路板及部件層,直至芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層等各種不同層次對系統(tǒng)傳熱、溫度場及內(nèi)部流體運動狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡便的定量分析[12 ] 。
重要參數(shù)的設(shè)定包括數(shù)學(xué)分析模式和流體流動屬性的設(shè)定、系統(tǒng)環(huán)境(初始條件及邊界條件等) 、模型參數(shù)的設(shè)定、網(wǎng)格疏密的控制。
由于本模塊是在自然冷卻條件下工作,本分析設(shè)定的熱源模式是傳導(dǎo)元件,并考慮輻射熱傳輸。
3. 4. 2 　FC2IPEM 的三維熱模型
BGA 芯片尺寸封裝MOSFET 是主要發(fā)熱元件,模型中以立方體替代芯片上的焊料凸點,替代前后的熱阻不變。本分析使用89 ×100 ×29 條網(wǎng)格線,258 100 個格點。
3. 4. 3 　FC2IPEM 的熱分析 熱分析條件如下:
1) 大氣(環(huán)境) 溫度為35 ℃;
2) 模塊在自然冷卻、無散熱器條件下工作;
3) 沒有焊接空洞。FLO THERM 軟件可以很清楚地顯示出整個系統(tǒng)的等溫面,及每個不同位置的速度分布、溫度分布與壓力分布,甚至可觀察流場的情況。
同步整流Buck 變換器輸出12 V/ 3 A 時,溫度界面截圖可得芯片的最高結(jié)溫為59. 719 ℃, FCIPEM 可安全工作。
3. 5 　參數(shù)分析
以實際模塊為基準(zhǔn),改變其中的一個參數(shù),進(jìn)行下面的分析。
1) 上層PCB 對溫度的影響。移去上層PCB ,Q1的最高結(jié)溫為63. 226 ℃,升高3. 507 ℃。
2) 鋁基板覆銅層面積對溫度的影響。改變鋁基板上與銅接線端O 相連接的覆銅層(也就是與Q2漏極相連的覆銅層) 面積AO ,其他條件保持不變,分析Q2 的結(jié)溫變化情況。結(jié)果如圖4 所示,AO 從36mm2 增加到740 mm2 時,Q2 的結(jié)溫下降0. 226 ℃。
AO 增大到250 mm2 以后,Q2 的結(jié)溫變化很小。需要說明的是,這里不考慮覆銅層自身的發(fā)熱。
3) 鋁基板絕緣層對溫度的影響。鋁基板絕緣層厚度對溫度的影響如圖5 所示。絕緣層厚度從0. 5mm 增加到1. 5 mm 時,Q1 的結(jié)溫升高0. 499 ℃。
鋁基板絕緣層材料的導(dǎo)熱率對溫度的影響如圖6 所示。

絕緣層材料的導(dǎo)熱率從0. 5 W/ mK提高到4 W/ mK時,Q1 的結(jié)溫下降0. 771 ℃。
4) 鋁基板鋁板層厚度對溫度的影響。鋁基板鋁板層厚度對溫度的影響如圖7 所示。鋁基板金屬底板層厚度從0. 5 mm 增加到2 mm 時, Q1 的結(jié)溫下降2. 569 ℃。
上面的分析說明:1) 除了經(jīng)過芯片、焊料傳輸?shù)降讓踊?再通過對流或輻射向大氣散發(fā)外,芯片的熱量還可通過焊料凸點傳輸?shù)缴蠈覲CB ,然后通過對流或輻射向大氣散發(fā),FC2IPEM 的三維散熱結(jié)構(gòu)有效降低了芯片的結(jié)溫;2) 與芯片漏極相連的覆銅層面積大于芯片封裝面積時,增大覆銅層面積對芯片的結(jié)溫影響不大;3) 鋁基板絕緣層厚度增加,芯片的結(jié)溫明顯增加;4) 鋁基板絕緣層材料的導(dǎo)熱率提高,芯片的結(jié)溫下降; 隨著絕緣層材料的導(dǎo)熱率提高,芯片的結(jié)溫下降趨勢變緩;5) 鋁基板鋁板層厚度增加,芯片的結(jié)溫下降;隨著鋁板層厚度增加,芯片的結(jié)溫下降趨勢變緩。
從改善FC2IPEM 熱性能的角度出發(fā),鋁基板的選擇依據(jù)是:1) 鋁基板的覆銅層對溫度影響不大,主要考慮其通電流能力;2) 在滿足絕緣要求的情況下,絕緣層的厚度越薄越好,選擇導(dǎo)熱率高的絕緣層材料;3) 選擇鋁板層較厚的鋁基板。

4 　結(jié)束語
熱設(shè)計是三維高功率密度封裝技術(shù)的關(guān)鍵問題,影響著IPEM 的性能、可靠性和成本。在半橋FC2IPEM 中,芯片中產(chǎn)生的熱量既可通過芯片背面的絕緣金屬基板散熱,又可通過焊料凸點傳輸至PCB。由于下填充材料的使用,三維封裝結(jié)構(gòu)使熱量更易于向外散發(fā)。建立了半橋FC2IPEM 的一維熱阻模型,鋁基板的絕緣層是最主要的熱阻來源。運用FLOTHERM 軟件進(jìn)行三維仿真,得到模塊的穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)果,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據(jù)。

參考文獻(xiàn):
[1 ] 　VAN WYKJ D , L EE F C. Power elect ronics technology at the dawn of the new millennium $ status and future [ C ] / / IEEE PESC. South Carolina , USA.1999 : 3212.
[2 ] 　BLAABJ ERG F , CONSOL I A , FERREIRA J A , et al. The future of elect ronic power processing and conversion [J ] . IEEE Trans Indus Appl , 2005 , 41 (1) : 328.
[3 ] 　L EE F C , VAN WYKJ D , L IAN G Z X , et al. An in2tegrated power elect ronics modular approach : concept and implementation [ C ] / / IPEMC. Xi’ an , China.2004 : 1213.
[4 ] 　CALATA J N , BAI J G, L IU X , et al. Three dimensional packaging for power semiconductor devices and modules [ J ] . IEEE Trans Advan Packag , 2005 , 28 (3) : 4042412.
[5 ] 　PAN G Y F. Integrated thermal design and optimization study for active integrated power elect ronic modules ( IPEMs) [D] . Virginia : Virginia Polytechnic Institute and State University , 2002.
[ 6 ] 　LASANCE C. The conceivable accuracy of experimental and numerical thermal analysis of elect ronic systems[J ] . IEEE Trans Compon and Packag Technol , 2002 ,25 (3) : 1802198.
[7 ] 　STINNETT W A. Thermal management of power elect ronic building blocks [D] . Virginia : Virginia Polytechnic Institute and State University , 1999.
[8 ] 　余小玲, 曾翔君, 楊旭, 等. 混合封裝電力電子集成模塊內(nèi)的傳熱研究[J ] . 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2004 , 38(3) : 2582261.
[9 ] 　王建岡, 阮新波, 吳偉, 等. 倒裝芯片集成電力電子模塊[J ] . 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005 , 25 (17) : 32236.
[10 ] 　楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M] . 北京: 高等教育出版社, 1998.
[11 ] 　L EONARD C T. How mechanical engineering issues affect avionics design [J ] . IEEE Aerospace and Elect ronic Systems Magazine , 1990 , 5 (4) : 328.
[12 ] 　吳培立. 筆記本電腦散熱系統(tǒng)之研究[D] . 臺南: 成功大學(xué), 2004.
作者簡介:
王建岡(1968 —) ,女(漢族) ,江蘇建湖人,副教授,博士,研究方向為電力電子集成系統(tǒng)和高頻軟開關(guān)DC/ DC 變換器。
阮新波(1970 —) ,男(漢族) ,湖北洪湖人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為高頻軟開關(guān)DC/ DC 變換器、高頻軟開關(guān)逆變器、變換器的建模分析和電力電子集成系統(tǒng)。

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