基于Icepak的功率混合集成电路热设计分析
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摘 要 本文基于 ANSYS Icepak 软件，对影响功率集成电路热性能的功能模块布局方式以及外壳、基板、布线、焊接材料等设计因素进行初步研究，为功率集成电路的热设计分析提供了建议和依据。
关键词 ANSYS Icepak;热设计;功率集成电路
中图分类号： TM464 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.014
0 引言
混合集成电路具有组装密度大、可靠性高、电性能好的优点，并且能够承受较高的电压和较大的功率[1]。通常将功率密度达到1W/in2以上（或输出功率大于5W）的混合集成电路，称为功率混合集成电路。由于功率混合集成电路具有高功率、大功耗的特点，需要专门的设计和制造技术来提高散热能力、控制内部温度，以满足技术性能及可靠性要求[2]。本文采用基于有限元分析方法的ANSYS Icepak热分析模拟软件对功率混合集成电路进行热设计分析。
1 典型工艺结构及热传导模型
1.1 典型工艺结构
以某功率驱动器为例，其工艺结构如图1所示，功率部分的剖面图见图2。
1.2 热传导的数学模型
热量传输有辐射、对流和传导三种基本方式，其中热传导是指同一介质或不同介质间，由于温差产生的传热现象，其表达式为。
由上述公式可看出，导热系数和导热方向的截面积对热传导的散热量影响较大。若要增强散热，可增大导热系数，选择导热系数较高的材料，或增加截面积等。
1.3 ANSYS Icepak软件模型建立
ANSYS Icepak软件建模有两种方式，直接法和导入法。由于混合集成电路结构较简单，因此采用直接法进行建模。
首先对模型进一步简化，略去对散热影响较小的法兰盘和非功率器件。基于图1所示工艺结构，在Icepak建模界面模型。并针对模型均为ANSYS Icepak原始几何体的特点，采用非结构化方式进行网格划分。模型及网格划分如图3所示
选择模型，点击【Edit】，在【Properties】界面，添加材料属性，并按照表1参数设置元器件功耗值。
由于该功率集成电路模拟温度条件为固定壳温125℃，因此只考虑热传导和热辐射两种散热方式。在【Basic settings】求解基本设置面板中，仅选择【Temperature】，打开辐射换热开关，并设置默认温度为125℃。
2 功率混合集成电路热分析
2.1 元器件布局对电路热设计的影响
单板设计多应用于中低功率电路，其功率部分对电路其他单元影响很小时，可将功率部分和信号处理部分设计在同一基板上，其优点是可以设计降低电路结构复杂性，简化工艺流程。分立设计是指将功率部分和信号处理部分布置在不同基板上，进行独立的设计和工艺加工制作[2]。高功率和中高功率电路的功率部分若使用单板设计（图4），对电路其他单元影响较大，因此需要将功率部分和信号处理部分设计在不同基板上（图5），能通过独立设计减小功率部分对其他部分的热影响[5]。并且功率部分采用价格较高的高热导率基板（AlN、BeO等），信号处理单元采用价格较低的常规基板（如Al2O3），在一定程度上降低了基板制作成本。
2.2 基体材料对电路热设计的影响
2.2.1 底板材料
基于混合集成电路陶瓷类基板与金属材料的匹配性考虑，常用的外壳材料包括10#钢冷轧钢。在散热要求极高的情况下，可考虑底板部分使用钼铜、钨铜、紫铜等成本较高的铜基材料。
各种材料的热传导率及使用该种材料时器件表面最高温度见下表。
2.2.2 基板材料
混合集成电路通常采用陶瓷基板，常规基板以96%Al2O3三氧化二铝基板为代表，高导热基板常用99%BeO氧化铍、AlN氮化铝等材料。此外，与BeO氧化铍相比，AlN氮化铝基板的一个重要特性是氮化铝材料的热膨胀系数为4.45×10-6/℃，与热膨胀系数为4.5×10-6/℃的Si十分接近，适合于功率IC芯片的高可靠组装[6]。因此，当前AlN氮化铝基板在功率电路中的使用则越来越广泛。Al2O3陶瓷热导率虽低，但有最多的厚膜浆料与之配套，对于功率不大的中低功率电路，可优先选用Al2O3陶瓷。
三种基板的热导率、适用功率密度、安全性及使用该种材料时器件表面最高温度见下表。
2.2.3 布线方式
陶瓷基板常用布线方式有两种，一为厚薄膜布线，二为直接覆铜。96%Al2O3、BeO、AlN三种基板材料均可以采用这两种方式布线。厚薄膜工艺是陶瓷基板的主要布线方式。厚薄膜布线方式的优点是工艺成熟、布线性能良好、工艺稳定可靠。DBC布线是将铜箔直接附着在Al2O3、BeO和AlN基板表面，铜箔厚度通常为0.1mm～0.3mm，为厚膜布线导体厚度的数十倍，可承受更大电流，在对电流强度有特殊要求的情况下具有显著优势。但同样由于厚度原因，DBC铜箔布线对导热有一定影响。各种材料的厚度、热传导率及使用该种材料时器件表面最高温度见表4。
3 结论
由上文的讨论结果可见，材料导热系数热导率和垂直于导热方向的横截面积对热性能的影响最大。但同时应考虑工艺可靠性、各种装配材料间的热膨胀率匹配程度、加工安全性以及成本等问题。在条件允许的情况下，选择导热系数较大的材料，可改善电路散热，降低元器件温度，保证在使用过程中元器件结温不超过额定值，进一步提高电路可靠性。对于文中实例电路而言，采用铜基底板材料可较大程度降低器件表面温度，但结合成本及加工工艺成熟度等原因，最终选择10#钢外壳。厚膜BeO基板的散热情况较好，但由于BeO氧化铍本身材料具有毒性，且基板附着力较差，电流承受能力更强的AlN-DBC基板为更优选择。
本文运用 ANSYS Icepak 软件，结合设计实例，对功率集成电路进行了较全面的热模拟和分析，初步研究了外壳、基板、布线材料、焊接材料以及布局设计等因素对功率集成电路热性能的影响，为功率集成电路的热设计分析提供了研究依据。
参考文献
[1]王瑞庭，朱征，等译.Tapan K. Gupta. Handbook of Thick and Thin-Film Hybrid Microelectronics.厚薄膜混合微電子学手册[M].北京：电子工业出版社，2005：10-16.
[2]夏俊生，周曦.功率HIC基板及其工艺布局设计研究[J].电子与封装，2011，11（10）：10-14+17.
[3]王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].国防工业出版社，2015：37-39;207-215.
[4]马静.基于ANSYS的板级电路热分析及布局优化设计[J].电子器件，2013，36（6）：802-805.
[5]张艳.厚膜DC/DC电源的散热优化设计[J].电源技术应用，2013 （3）：2+9.
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