基于嵌銅塊印制板的高熱流密度芯片傳導(dǎo)散熱設(shè)計

陳 琦,錢吉裕,王 銳,李 力

(中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所,江蘇 南京 210039)

隨著元器件小型化、集成化、高功率化的不斷發(fā)展,印制板(printed circuit board, PCB)上芯片的散熱空間越來越小、熱流密度越來越高,芯片散熱難度越來越大。芯片溫度過高會導(dǎo)致使用壽命縮短,甚至是設(shè)備失效等許多問題[1-2],因而研究印制板上高熱流密度芯片的散熱方式成為電子設(shè)備熱設(shè)計的一個重要方向。

目前印制板芯片的熱流密度一般為0.5～20 W/cm2,此熱流密度下的芯片大多采用自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式。當(dāng)芯片熱流密度大于20 W/cm2時,必須采用特殊工藝或者液冷手段增強(qiáng)芯片散熱,如采用金屬基底印制板、嵌銅塊印制板以及玻纖層改性等方式[3-4]。本文對常規(guī)印制板、金屬基底印制板和嵌銅塊印制板的層疊熱阻進(jìn)行分析,通過三維建模熱仿真分析,研究不同結(jié)構(gòu)的印制板表貼芯片的散熱效果。選擇散熱效果最優(yōu)的嵌銅塊印制板進(jìn)行實物優(yōu)化與測試,驗證嵌銅塊印制板解決表貼高熱流密度芯片散熱的可行性。

1 印制板芯片傳導(dǎo)散熱理論分析

本文基于印制板上主流的表貼方形扁平無引腳(quad flat no-leads package,QFN)封裝芯片做散熱設(shè)計,QFN封裝的芯片通過焊盤和引腳與印制板相連,其接觸面與接觸熱阻主要取決于焊盤大小和焊接狀態(tài)(包括焊接材料)。QFN封裝芯片與印制板的連接如圖1所示,QFN封裝的芯片通過焊盤以及引腳將大部分熱量向下傳導(dǎo)至印制板上[4],少量的熱量通過上表面?zhèn)鲗?dǎo)至空氣中。QFN封裝芯片向下(印制板方向)的熱阻系數(shù)遠(yuǎn)小于向上的熱阻系數(shù)。

圖1 QFN芯片表貼結(jié)構(gòu)示意圖

印制板是復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu),其中布線層材料一般為銅,導(dǎo)熱系數(shù)高,約為400 W/(m·K)。絕緣層和導(dǎo)熱系數(shù)低的環(huán)氧玻璃(導(dǎo)熱系數(shù)約為0.35 W/(m·K))將布線層等夾在中間[5],因此印制板的導(dǎo)熱性能是各層材料、厚度以及層數(shù)的綜合性能。

通過改進(jìn)印制板材料或調(diào)整散熱結(jié)構(gòu)降低芯片溫度是目前常用的印制板散熱方案。如Fan等[6]發(fā)現(xiàn)基于絕緣金屬基的印制板散熱性能要好于基于環(huán)氧玻纖布的印制板,即在常規(guī)印制板中添加高導(dǎo)熱基材,增強(qiáng)印制板的整體導(dǎo)熱性能。

本文研究常規(guī)印制板、金屬基底印制板和嵌銅塊印制板的層疊結(jié)構(gòu)特點,對其熱阻進(jìn)行分析,建立相應(yīng)的熱阻模型。3種印制板層疊結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 3種印制板(四層)結(jié)構(gòu)

以常見1.64 mm厚度四層印制板結(jié)構(gòu)為例,其中頂層、地線層、電源層和底層為銅層,厚度均為0.035 mm。頂層與地線層、電源層與底層通過0.2 mm厚度的玻纖補(bǔ)強(qiáng)材(PP層)壓接,地線層和電源層之間為1.1 mm厚度的環(huán)氧樹脂芯層。常規(guī)印制板結(jié)構(gòu)如圖2中A型所示。金屬基底印制板結(jié)構(gòu)如圖2中B型所示,其用厚銅基底代替銅層或者將銅層壓接到1.5 mm厚度銅基底上。嵌銅塊印制板結(jié)構(gòu)如圖2中C型所示,其是在常規(guī)印制板的芯片下通過樹脂壓接的方式埋置銅塊[7-8],銅塊與芯片底部焊盤直接接觸。

芯片熱量傳導(dǎo)由印制板的上表面?zhèn)鬟f至下表面,其總熱阻R為印制板中各層材料的熱阻總和,假設(shè)印制板中各層接觸熱阻均一致,則3種結(jié)構(gòu)的印制板總熱阻為:

RA=4RCu+2Rpp+Rep

(1)

RB=3RCu+2Rpp+Rep+RCu_B

(2)

(3)

2 三維建模熱仿真分析

2.1 三維建模

本文的建模實體來源于某設(shè)備的高熱流密度芯片控制板,通過三維FloEFD建模熱仿真可以得到不同印制板的芯片溫度,對印制板的設(shè)計選型具有指導(dǎo)意義。為減少仿真中網(wǎng)格數(shù)量,提高計算效率,作以下假設(shè)并簡化模型:1)印制板各層間為理想連接,且各層接觸熱阻均一致;2)芯片整體溫度分布均勻且為恒熱源;3)3種結(jié)構(gòu)印制板與冷板接觸狀態(tài)一致,接觸熱阻設(shè)為4 cm2·K/W;4)忽略印制板中的非散熱通孔、印刷銅線等細(xì)小部件;5)四層印制板各層材料厚度按照0.035 mm銅層、0.200 mm PP層和1.100 mm環(huán)氧樹脂芯層進(jìn)行建模,金屬基底為1.500 mm銅基底。

基于QFN封裝的芯片表貼在3種印制板上的簡化三維模型如圖3所示,印制板均安裝在冷板上。芯片熱量通過焊盤向下傳遞給印制板,再由印制板向下傳遞給冷板,熱量最終由冷板帶走。

圖3 QFN芯片表貼3種印制板模型

設(shè)計目標(biāo)為芯片溫度不超過最大允許值120 ℃,并且在一定溫度范圍內(nèi),芯片溫度越低,可靠性越高,使用壽命也越長。

2.2 熱仿真結(jié)果與分析

對在不同印制板上QFN封裝的高熱流密度芯片傳導(dǎo)散熱進(jìn)行FloEFD熱仿真,仿真結(jié)果見表1。芯片熱流密度為136 W/cm2,外部環(huán)境溫度為25 ℃,印制板下方冷板溫度恒為30 ℃,印制板與冷板接觸熱阻設(shè)為4 cm2·K/W。

表1 仿真結(jié)果 單位:℃

其中印制板頂層溫度是指與芯片接觸的頂層印制板的溫度,印制板底層溫度是指印制板與冷板接觸位置底層印制板的溫度,如圖4所示。芯片溫度直接體現(xiàn)印制板散熱效果,芯片溫度越低,散熱效果越好。

由仿真結(jié)果可知:1)嵌銅塊印制板的芯片溫度最低,比常規(guī)印制板和金屬基底印制板的芯片溫度分別下降了18.3 ℃和15.7 ℃。2)印制板頂層和底層的溫度差值代表印制板熱阻的高低,溫差越大熱阻越高。從仿真結(jié)果看,嵌銅塊印制板上下溫度差最低,對應(yīng)的印制板總熱阻R最小。因此,嵌銅塊印制板能夠更有效地解決QFN封裝的高熱流密度芯片散熱問題。

3 實物設(shè)計及測試分析

3.1 實物設(shè)計

本文設(shè)計的印制板芯片散熱結(jié)構(gòu)如圖5所示。QFN封裝的芯片熱流密度為136 W/cm2,芯片采用嵌銅塊印制板傳導(dǎo)散熱,銅柱等效截面積為2.43 mm×5.68 mm。印制板通過螺紋連接到冷板表面,接觸熱阻4 cm2·K/W。

環(huán)境溫度為25 ℃,流道中冷卻液溫度為15 ℃,芯片仿真溫度如圖6所示,芯片最高溫度為97.5 ℃,小于120 ℃,滿足芯片散熱要求。

圖6 芯片仿真溫度圖

基于上述仿真結(jié)果設(shè)計了用于高熱流密度芯片傳導(dǎo)散熱的嵌銅塊印制板,實物如圖7所示,圖中銅塊尺寸均按照仿真設(shè)計制作而成。

圖7 嵌銅塊印制板實物圖

3.2 測試平臺搭建

芯片溫度測試平臺主要包括嵌銅塊印制板(包含QFN封裝的高熱流密度芯片)、冷板、電源、數(shù)據(jù)采集儀、水冷源,如圖8所示。冷板采用5A05鋁材,特制冷卻液。通過電源調(diào)節(jié)電壓可調(diào)節(jié)芯片的功率,從而調(diào)節(jié)芯片的熱流密度。數(shù)據(jù)采集儀通過熱電偶采集印制板和芯片的溫度。

圖8 芯片溫度測試平臺

對印制板上4個QFN封裝芯片溫度進(jìn)行監(jiān)測,通過熱電偶表貼測量4個芯片溫度以及印制板溫度,如圖9所示,芯片溫度測試點標(biāo)記為1～4,對應(yīng)芯片附近印制板頂層測試點標(biāo)記為1_T～4_T。

圖9 印制板上測溫點布置圖

3.3 測試結(jié)果

水冷源供液溫度為15 ℃,環(huán)境溫度為25 ℃,供液壓力為0.5 MPa,流量為100 L/h,芯片熱流密度為136 W/cm2,與仿真邊界條件一致。實測與仿真結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 溫度實測與仿真結(jié)果對比

由圖可知:1)實測芯片最高溫度為93.2 ℃,小于120 ℃,嵌銅塊印制板可以保證QFN封裝芯片在合適的溫度下工作,解決印制板上高熱流密度芯片的散熱問題。2)QFN芯片的實測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高,驗證了層疊印制板結(jié)構(gòu)熱阻分析的準(zhǔn)確性,后續(xù)可以通過熱仿真有效地對嵌銅塊印制板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。3)QFN芯片仿真溫度略高于實測溫度。在實測中發(fā)現(xiàn)印制板的印刷銅線較多,且芯片的引腳對芯片散熱有輔助作用,有助于將芯片熱量擴(kuò)散到整個印制板,提高了印制板的傳導(dǎo)散熱能力。而仿真時對印刷銅線以及引腳進(jìn)行了簡化處理,導(dǎo)致了嵌銅塊印制板的仿真?zhèn)鲗?dǎo)效果比實物略差,即芯片的仿真溫度略高于實測溫度。

4 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)印制板、金屬基底印制板和嵌銅塊印制板層的熱阻分析以及三維建模熱仿真,可以有效地計算印制板上表貼高熱流密度芯片的溫度,嵌銅塊印制板實測結(jié)果驗證了熱仿真的有效性。對于依靠印制板傳導(dǎo)散熱的芯片,相比傳統(tǒng)印制板和金屬基底印制板,嵌銅塊印制板可以降低芯片溫度15 ℃以上,使芯片工作溫度更低,使用壽命更長。研究表明,使用嵌銅塊印制板是解決QFN封裝的高熱流密度芯片散熱問題的一條有效途徑。