何倩鴻 楊 平 魏 巍

電子科技大學(xué)，成都，611731

0 引言

現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展與熱控制技術(shù)的不斷進(jìn)步有著非常密切的關(guān)系，熱設(shè)計(jì)已成為高性能芯片組件設(shè)計(jì)的重要組成部分［1］。隨著電子元器件封裝密度的增大，各封裝單元在單位面積上的熱流密度將變得越來越大，單位體積的功耗也將越來越大。多芯片組件（multi－chip module，MCM）采用高密度多層布線結(jié)構(gòu)、細(xì)線工藝與微電子焊封技術(shù)，并外貼裸芯片和小型片式元器件［2］。高集成、立體化與微小型化是 MCM的顯著特點(diǎn)，也是今后的發(fā)展方向。隨著MCM集成度的提高和體積的縮小，其單位體積內(nèi)的功耗不斷增大，導(dǎo)致發(fā)熱量增加和結(jié)點(diǎn)溫度急劇上升。因此，降低及保持結(jié)點(diǎn)溫度是對(duì)MCM熱設(shè)計(jì)的具體要求。

針對(duì)MCM的熱失效，往往只從如下兩個(gè)方面考慮：一方面是改進(jìn)MCM的電路設(shè)計(jì)，在保證性能的前提下，減小其功耗，以最大限度地減少M(fèi)CM中各元器件的熱耗散；另一方面是改進(jìn)MCM本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇，尋求最佳的導(dǎo)熱材料、散熱結(jié)構(gòu)及冷卻方法，使MCM中產(chǎn)生的熱量盡快排放到周圍環(huán)境中。在熱設(shè)計(jì)中，國內(nèi)外一直沒有對(duì)芯片提出一種快速、合理的分布方式，以利于后續(xù)的熱設(shè)計(jì)。本文以風(fēng)冷散熱為例，給出MCM多芯片組在基板上的不同分布方式對(duì)風(fēng)冷散熱效果影響的示例，并通過仿真分析驗(yàn)證一種針對(duì)于風(fēng)冷散熱方式的MCM芯片分布矩陣法。

1 基于二維MCM的分布矩陣法

1.1 分布矩陣熱設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

在研究二維MCM的分布矩陣熱設(shè)計(jì)之前，首先研究熱傳導(dǎo)模型。

熱傳導(dǎo)過程滿足傅里葉定律：

式中，q為熱流密度矢量；gradT為空間某點(diǎn)的溫度梯度向量；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

對(duì)于一維導(dǎo)熱問題，直接對(duì)式（1）積分即可求出熱量Q。對(duì)于多維熱傳導(dǎo)問題，其熱傳導(dǎo)控制方程為

式中，cP為導(dǎo)熱材料的比熱容，J/（kg·K）；ρ為材料密度，kg/m3；λX、λY、λZ分別為材料沿X、Y、Z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；qV為物體的內(nèi)熱源強(qiáng)度，W/kg。

到目前為止，幾乎所有的熱仿真軟件所采用的理論計(jì)算基礎(chǔ)均為傅里葉熱傳導(dǎo)方程，這個(gè)方程組是通過大量試驗(yàn)和驗(yàn)證所得出的經(jīng)驗(yàn)性公式，本文同樣以此公式為理論基礎(chǔ)進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析。

1.2 基板上器件的排布方式

仿真對(duì)象為4個(gè)功耗50W的IGBT芯片，采用10個(gè)帶鋁散熱翅片的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行散熱，3個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的質(zhì)量流量為10g/s，即1s內(nèi)流經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)空氣的質(zhì)量為10g。其他部分材料均依照Icepak默認(rèn)設(shè)置。在Icepak中建立模型，定義各參數(shù)，根據(jù)仿真中的雷諾數(shù)，定義對(duì)流方式為湍流［3］。適當(dāng)?shù)貏澐志W(wǎng)格，檢查網(wǎng)格，設(shè)置迭代步數(shù)為100，然后進(jìn)行求解，最后對(duì)基板溫度云圖進(jìn)行分析。

單芯片與多芯片的溫度場分布顯然不同，由于存在三維方向上的熱傳遞、對(duì)流與輻射作用，熱量在基板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)及在空間對(duì)流、輻射的耦合，將導(dǎo)致相鄰芯片內(nèi)部溫度的升高，故每個(gè)功耗芯片的結(jié)點(diǎn)溫度和其他芯片的功耗也密切相關(guān)［4］。熱量的傳遞可線性疊加，但對(duì)流與輻射并不能疊加。因此，找到一種使芯片之間溫度場影響相對(duì)較小且快速準(zhǔn)確的分布就顯得非常必要。

在位置變化而其他的條件均不變的前提下［5］，圖1～圖7給出了基板上IGBT芯片的不同分布方式。

圖1 IGBT分布1

圖2 IGBT分布2

圖3 IGBT分布3

圖4 IGBT分布4

圖5 IGBT分布5

圖6 IGBT分布6

圖7 IGBT分布7

1.3 最高結(jié)點(diǎn)溫度的仿真分析

通過Icepak的仿真分析，得出在圖1～圖7各分布條件下，IGBT芯片的最高結(jié)點(diǎn)溫度如表1所示。

表1 各種分布條件下IGBT芯片的最高結(jié)點(diǎn)溫度［6］℃

由以上仿真結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，采用相同的散熱方式時(shí)，芯片在基板上的分布對(duì)于IGBT的最高結(jié)點(diǎn)溫度的影響達(dá)到了近8℃，圖8、圖9分別為IGBT分布3和分布7的基板溫度分布云圖。國外研究資料表明，半導(dǎo)體的溫度每升高10℃，可靠性將降低50%［7］。因此，芯片在基板上的分布對(duì)于散熱的影響是不容小視的。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，芯片的合理分布程度將對(duì)產(chǎn)品后續(xù)的熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響，有時(shí)在很大程度上決定產(chǎn)品性能的好壞。由此可以看出，芯片在基板上分布的合理性，對(duì)于后續(xù)散熱方式的選擇及散熱成本的確定都起著很重要的作用。

圖8 IGBT分布3的溫度分布云圖

1.4 MCM的基板分布矩陣法

圖9 IGBT分布7的溫度分布云圖

在此，基于有限元分析法提出了一種分布矩陣法，以解決MCM在基板上的分布問題。分布矩陣的形式如圖10所示。分布矩陣是在單一變量條件下，利用Icepak進(jìn)行不斷仿真后得出的規(guī)則的、簡便的類似矩陣分布，如圖11所示。

圖10 分布矩陣的一般形式

圖11 四IGBT芯片的風(fēng)冷散熱分布矩陣

分布矩陣以含有散熱鋁翅片的有效散熱面積為整個(gè)矩陣范圍，以平行散熱翅片的長度方向?yàn)榫仃嚨男邢?，以平行散熱翅片的厚度方向?yàn)榫仃嚨牧邢?，?dāng)有4個(gè)較大功耗芯片時(shí)，應(yīng)取6×4的矩陣為分布矩陣，而四芯片在分布矩陣中的具體分布應(yīng)按如下的原則：①大功耗芯片應(yīng)盡量在靠近風(fēng)扇端；②芯片沿矩陣行方向重疊時(shí)，應(yīng)在盡量避免重疊的前提下，改變遠(yuǎn)離風(fēng)扇端芯片的位置；③風(fēng)流方向上，盡量不同時(shí)包含2個(gè)及以上的芯片。芯片離基板邊緣過近會(huì)不利于散熱，同時(shí)結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)急劇升高，因此芯片與基板邊緣的距離也必須認(rèn)真考慮。四芯片的分布矩陣如圖11所示。圖12～圖15所示為本文通過Icepak嚴(yán)格仿真分析后依次給出的、采用風(fēng)冷散熱時(shí)在規(guī)則基板上MCM包含2、3、5、6個(gè)芯片時(shí)的分布矩陣。

圖12 二芯片的風(fēng)冷散熱分布矩陣

圖13 三芯片的風(fēng)冷散熱分布矩陣

以上給出的各種數(shù)量芯片在基板上的排布方式并不一定是唯一的優(yōu)選方式，同種數(shù)量的芯片排布方式按照分布規(guī)則偶爾也會(huì)出現(xiàn)多種優(yōu)選方式的情況。對(duì)圖11～圖15中的各個(gè)分布矩陣的仿真驗(yàn)證分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和分析可知，它們的最高結(jié)點(diǎn)溫度平均比隨意排布方式的最高結(jié)點(diǎn)溫度平均低出至少6℃。

圖14 五芯片的風(fēng)冷散熱分布矩陣

圖15 六芯片的風(fēng)冷散熱分布矩陣

2 分布矩陣的適用范圍

采用分布矩陣法的前提條件是：芯片是主要熱源且第一熱傳遞對(duì)象為基板；基板是規(guī)則的矩形或者接近規(guī)則矩形。分布矩陣法在這樣的情況下能很好發(fā)揮它的作用。同時(shí)，分布矩陣法也有自己的局限性，由于MCM本身的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)限制［8］，芯片有時(shí)也不能完全按照分布矩陣法的規(guī)則進(jìn)行分布，此時(shí)，只能視產(chǎn)品的具體情況將芯片排布在分布矩陣的次優(yōu)位置。本文所提出的MD法可能不是最優(yōu)的MCM分布解決方案，但它是一種接近最優(yōu)且規(guī)則化、迅捷化的MCM分布解決方案。

在規(guī)則的基板或比較規(guī)則的基板上采取風(fēng)冷散熱（強(qiáng)迫或自然風(fēng)冷散熱）、冷板或者輻射板散熱、相變散熱、浸沒散熱等散熱方式時(shí)，產(chǎn)品如果能預(yù)先按分布矩陣來分布芯片，將對(duì)后續(xù)的散熱提供較大幫助，同時(shí)也能大大縮短散熱設(shè)計(jì)的周期。芯片結(jié)點(diǎn)最高溫度的降低，有助于熱設(shè)計(jì)者降低熱設(shè)計(jì)成本和選擇更為簡單的散熱方式［9］。

3 結(jié)語

本文采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的方式和Icepak熱仿真技術(shù)，對(duì)MCM多芯片組在基板上出現(xiàn)不同分布時(shí)，芯片分布對(duì)IGBT芯片最高結(jié)點(diǎn)溫度的影響程度進(jìn)行了研究?；诰仃嚨乃枷?，提出了在強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱條件下，較大功耗的IGBT芯片的合理分布方法——MD法。通過Icepak的嚴(yán)格仿真對(duì)矩陣的可行度進(jìn)行了驗(yàn)證分析，結(jié)果表明，該分布矩陣的分布方式有效地降低了IGBT芯片的最高結(jié)點(diǎn)溫度。

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