基于LTCC微波組件的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)散熱性能仿真分析

廖志平 陸世友

摘要：微通道及導(dǎo)熱柱作為低溫共燒陶瓷（LTCC）主要散熱渠道，其結(jié)構(gòu)會(huì)影響到系統(tǒng)的散熱性能。為獲得散熱性能較好的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)，本文采用有限元軟件ANASYS建立了一種特定的LTCC微波組件的三維有限元分析模型，仿真分析了該組件的微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)的散熱性能。結(jié)果表明，組件的功率芯片的結(jié)溫出現(xiàn)在靠近進(jìn)水口的邊角處，為48.9℃，靠近進(jìn)水口附近的芯片溫度較高。由于縱向尺寸效應(yīng)，導(dǎo)熱柱溫度縱向呈梯度分布。微通道內(nèi)流體的流速分布均勻，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。從仿真結(jié)果看出，微通道與導(dǎo)熱柱結(jié)合的散熱結(jié)構(gòu)能夠有效降低組件功率芯片的結(jié)溫，使其在正常工作溫度下。

關(guān)鍵詞：LTCC，微通道，導(dǎo)熱柱，散熱性能

引言

隨著電子封裝向工藝尺寸微小化、功能集成化及高速化方向的快速發(fā)展，部分高性能系統(tǒng)的單芯片功率密度預(yù)計(jì)將高于100W/cm2，如高集成度的LTCC微波組件[1]。由于集成度高，其散熱通道的空間卻極小。因此，如何解決LTCC微波組件的散熱是個(gè)迫切的問(wèn)題[2]。傳統(tǒng)空氣冷卻法對(duì)現(xiàn)今高集成度、高功耗系統(tǒng)，較低的熱導(dǎo)率和低密度的空氣對(duì)流缺乏吸引力[3]。美國(guó)學(xué)者Tuckerman和Pease[4]提出的利用微通道散熱器解決高熱流密度微電子冷卻方法受到越來(lái)越多的關(guān)注。采用微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)散熱的LTCC微波組件具備散熱特性好、致密性好，高頻性能佳，與硅匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越特性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高度集成的同時(shí)，有效解決了微波組件散熱問(wèn)題[5]。本文采用有限元數(shù)值仿真分析的方法，通過(guò)有限元軟件ANASYS建立了LTCC微波組件的三維模型，分析矩形微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)對(duì)LTCC微波組件散熱性能的影響，對(duì)LTCC微波組件散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1.熱-流耦合分析

本文研究的LTCC微波組件微通道結(jié)構(gòu)的尺寸范圍屬于典型的微納流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，分析時(shí)，要對(duì)微納尺度下進(jìn)行微觀尺度效應(yīng)分析。在微納尺度下，宏觀流體動(dòng)力學(xué)中被忽略的一些力將會(huì)起到一定作用，包括液體的表面張力、分子極化產(chǎn)生的范德華力等，這些力都屬于短程力（<1nm），其積累效果也僅可以達(dá)到1μm的長(zhǎng)程[6]，遠(yuǎn)小于本文所研究的微通道尺寸范圍，因此宏觀流動(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本條件方程連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程依然適用。

如上述，若已知組件微通道內(nèi)部分流體的溫度、三個(gè)方向上流速、壓強(qiáng)，就可以獲得微通道中流體的溫度、流速、壓強(qiáng)分布情況，從而獲取整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度。

2.仿真結(jié)構(gòu)模型

本文研究的LTCC微波組件采用Ferro體系的LTCC基板材料進(jìn)行制作，單層生瓷片的厚度為0.127mm，層數(shù)為25層，長(zhǎng)寬為45*45mm。組件底部放置了8*8陣列的大功率芯片，長(zhǎng)寬為2*1mm，厚度為0.1mm，如圖1（a）、（c）所示。微通道及導(dǎo)熱柱散熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)位于組件內(nèi)部，包括2條主流道，其截面尺寸為2.2*0.762mm，長(zhǎng)度為39mm，進(jìn)出水口位于主流道上，截面為柱形；8條次流道，其截面為長(zhǎng)方形，通道長(zhǎng)度為39mm；2條主流道連通8條次流道。微通道中的主、次流道經(jīng)LTCC微通道制作技術(shù)制成后堆疊，使得主流道位于次流道的上方而形成連通。導(dǎo)熱柱均為埋置孔互聯(lián)柱，主要連接大功率芯片與次流道，如圖1（b）所示。

3.仿真分析

3.1仿真分析設(shè)置

組件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)的尺寸在數(shù)量級(jí)上存在較大差異，在利用有限元相關(guān)軟件分析時(shí)往往會(huì)受到軟件計(jì)算性能、工作效率的限制，因此有必要對(duì)該組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，在建立分析模型時(shí)做如下假設(shè)：

（1）本文研究中LTCC微波組件微通道內(nèi)流體的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的層流流動(dòng)，而且忽略局部情況下的紊流（根據(jù)計(jì)算雷諾數(shù)范圍是121

（2）本文研究適用壁面無(wú)滑移邊界條件以及N-S方程。對(duì)于微通道內(nèi)液體的流動(dòng)特性，在本文分析的水力學(xué)直徑從115～230μm范圍內(nèi)且壁面光滑的微通道里，N-S方程和無(wú)滑移邊界條件依然適用；

（3）由于熱輻射相對(duì)于其他換熱方式影響較小，忽略輻射散熱；

（4）穩(wěn)定的流場(chǎng)分布和熱傳輸過(guò)程。

3.2仿真結(jié)果分析

本文的研究對(duì)象微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)在服役情況下，流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的層流流動(dòng)，流體從入水口進(jìn)入微通道，入水口的流體流量為0.5L/min；溫度為25℃；出水口壓強(qiáng)為0.2MPa；大功率芯片發(fā)熱功率密度為100W/cm2。通過(guò)ANSYS熱-流體耦合仿真分析，得到如圖2（a）所示的功率芯片的溫度分布圖。從圖中可以看出，LTCC微波組件上的64塊發(fā)熱功率芯片溫度整體分布較均勻，兩邊呈對(duì)稱分布，結(jié)溫出現(xiàn)在微通道流向末端的上部，為48.9℃。圖2（b）顯示的是導(dǎo)熱柱溫度分布，由于縱向尺寸效應(yīng)，越靠近功率芯片的位置溫度就越高。

圖2（a）芯片溫度分布、（b）導(dǎo)熱柱溫度分布、（c）微通道流體流速分布、（d）微通道流體壓強(qiáng)分布

圖2（c）為微通道內(nèi)流體的流速分布圖，進(jìn)出水口附近的水流速度最大，主流道內(nèi)的流體流速基本大于次流道內(nèi)的。圖2（d）為微通道內(nèi)流體的壓強(qiáng)分布圖，從圖中可以看出，進(jìn)水口處的流體壓強(qiáng)最大，出水口處的流體壓強(qiáng)最小，微通道內(nèi)流體壓強(qiáng)從進(jìn)水口沿著微通道到出水口逐漸減小，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。

4.結(jié)論

本文利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)一種LTCC微波組件其微通道及導(dǎo)熱柱結(jié)構(gòu)的散熱性能進(jìn)行了研究，獲得了組件在一定條件下的熱場(chǎng)、流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的云圖分布，得到以下幾個(gè)重要結(jié)論：

（1）功率芯片的結(jié)溫出現(xiàn)在靠近進(jìn)水口的邊角處，為48.9℃，靠近進(jìn)水口附近的芯片溫度較高，越往出水口溫度越低。

（2）導(dǎo)熱柱的橫向溫度分布與芯片的溫度分布具有高度的一致性，縱向呈梯度分布。

（3）微通道內(nèi)流體的流速分布均勻，壓強(qiáng)從進(jìn)水口沿著微通道到出水口逐漸減小，整體的壓強(qiáng)損失為56.5KPa。

（4）從仿真結(jié)果可以看出，微通道與導(dǎo)熱柱結(jié)合的LTCC微波組件散熱結(jié)構(gòu)能夠有效降低功率芯片的結(jié)溫，使其在正常工作溫度下。

參考文獻(xiàn)：

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