倒裝芯片集成電力電子模塊的熱設計
王建岡, 阮新波(1. 鹽城工學院電氣工程學院, 江蘇鹽城224003 ; 2. 南京航空航天大學自動化學院, 南京210016)
摘 要: 將倒裝芯片( Flip Chip , FC) 技術引入三維集成電力電子模塊( Integrated Power Electronic Module , IPEM) 的封裝,可構建FC2IPEM。在實驗室完成了由兩只球柵陣列芯片尺寸封裝MOSFET 和驅動、保護等電路構成的半橋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 軟件進行三維仿真,得到模塊溫度分布結果,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據。
關鍵詞: 電力電子; 倒裝芯片; 三維封裝; 熱設計
中圖分類號: TN42 文獻標識碼: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
在電力電子系統中,采用具有標準功率、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,可實現電力電子系統的高可靠性、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,導致材料的物理結構和化學成分變化,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,失效率呈指數增長趨勢。模塊的熱設計已成為熱傳輸技術應用的重要領域之一。
傳統的熱設計是在模塊完成后,如果出現熱問題,通過經驗類比或應用有限的傳熱公式進行估計,然后再進行試驗,這樣交替完成整個熱設計過程。
其缺點是結果不夠精確,且設計周期長,成本高。
隨著電子設備要求開發(fā)周期短、成本低,需要在產品的預研和開發(fā)階段解決熱設計問題,對熱設計方案進行全面的可行性分析和優(yōu)化設計,準確預計設計結果。借助于計算流體力學的熱設計仿真分析軟件,可以快速而準確地得到模塊的熱設計分析結果,據此可對模塊的器件布局、風道設計、風扇選型、材料選擇、散熱器設計等提供直觀而準確的依據,從而加快熱設計的速度并提高設計質量[528 ] 。
3D 高功率密度封裝IPEM 結構緊湊,熱量集中,容易形成過熱。熱設計是三維高功率密度封裝技術的關鍵, 直接影響IPEM 的性能、可靠性和成本。
文獻[9 ]將倒裝芯片( FC) 技術引入三維IPEM的封裝,采用球柵陣列(BGA) 芯片尺寸封裝器件,構建半橋( HB) FC2IPEM。FC2IPEM 采用三維封裝結構,包含基板、焊接材料、下填充材料、熱傳導密封材料等多種不同特性的材料。本文將對FC2IPEM 進行熱分析,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據。
2 熱設計基礎
2. 1 熱傳輸原理
熱力學第二定律指出: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 為單位時間傳輸的熱量, 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,必須減小對應的熱阻。
熱能傳輸的基本方式是傳導、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,可忽略次要因素進行簡化分析。
2. 2 冷卻技術
冷卻技術可分為主動冷卻技術和被動冷卻技術[11 ] 。主動冷卻系統本身需要能量,可提供高制冷容量,將溫度控制到大氣(環(huán)境) 溫度之下。主動冷卻系統可以較少使用風冷,甚至不用風扇。氣體/ 液體強迫對流冷卻、半導體致冷片、冷卻循環(huán)系統等是典型的主動冷卻技術。被動冷卻技術包括:1) 采用高導熱率材料替代低導熱率交界面材料;2) 優(yōu)化結構和布局;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。對于結構設計緊湊的IPEM ,被動冷卻技術更為適用。
2. 3 熱設計
熱設計主要考慮如何將元器件產生的熱量以低
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)境溫度內長期可靠地工作。采用先進合理的電路拓撲和選用低功率損耗元器件,可減小電路的損耗。元器件的內部熱阻主要取決于封裝結構、尺寸和材料,當器件封裝完成后,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。電路拓撲和元器件一旦選定,熱設計的主要內容就是熱傳輸路徑設計。
3 FC2IPEM 的熱設計
3. 1 結構
半橋FC2IPEM 中,功率MOSFET 芯片夾在高導熱率基板(底層) 和雙面PCB (頂層) 之間。采用FC 技術,芯片的有源區(qū)通過焊料凸點實現與PCB底面對應焊盤的連接。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行下填充。在PCB 和底層基板之間填上熱傳導包封材料。最后,采用表面貼裝技術,將驅動、保護等電路器件焊接到PCB 的上面。在半橋FC2IPEM 中,焊料凸點互連取代傳統的引線鍵合,垂直的三維封裝結構取代傳統的平面封裝結構。
在實驗室完成了由兩只B GA 芯片尺寸封裝MOSFET 和驅動、保護等電路構成的半橋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
應用半橋FC2IPEM 構成同步整流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 工作在硬開關狀態(tài),同步整流管Q2 實現零電壓開通。損耗分析結果: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)產生的熱量,以傳導的方式,經過芯片、焊料再傳輸到底層基板,最后通過對流或輻射向大氣散發(fā)。第二熱傳輸路徑為:以傳導的方式,芯片產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 采用三維封裝結構,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 采用計算流體力學仿真技術,擁有大量專門針對電子工業(yè)的模型庫。應用FLOTHERM ,可以從電子系統應用的環(huán)境層、電子系統層、各電路板及部件層,直至芯片內部結構層等各種不同層次對系統傳熱、溫度場及內部流體運動狀態(tài)進行高效、準確、簡便的定量分析[12 ] 。
重要參數的設定包括數學分析模式和流體流動屬性的設定、系統環(huán)境(初始條件及邊界條件等) 、模型參數的設定、網格疏密的控制。
由于本模塊是在自然冷卻條件下工作,本分析設定的熱源模式是傳導元件,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溫為59. 719 ℃, FCIPEM 可安全工作。
3. 5 參數分析
以實際模塊為基準,改變其中的一個參數,進行下面的分析。
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 的結溫變化情況。結果如圖4 所示,AO 從36mm2 增加到740 mm2 時,Q2 的結溫下降0. 226 ℃。
AO 增大到250 mm2 以后,Q2 的結溫變化很小。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 的結溫升高0. 499 ℃。
鋁基板絕緣層材料的導熱率對溫度的影響如圖6 所示。
絕緣層材料的導熱率從0. 5 W/ mK提高到4 W/ mK時,Q1 的結溫下降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 的結溫下降2. 569 ℃。
上面的分析說明:1) 除了經過芯片、焊料傳輸到底層基板,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到上層PCB ,然后通過對流或輻射向大氣散發(fā),FC2IPEM 的三維散熱結構有效降低了芯片的結溫;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溫影響不大;3) 鋁基板絕緣層厚度增加,芯片的結溫明顯增加;4) 鋁基板絕緣層材料的導熱率提高,芯片的結溫下降; 隨著絕緣層材料的導熱率提高,芯片的結溫下降趨勢變緩;5) 鋁基板鋁板層厚度增加,芯片的結溫下降;隨著鋁板層厚度增加,芯片的結溫下降趨勢變緩。
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,選擇導熱率高的絕緣層材料;3) 選擇鋁板層較厚的鋁基板。
4 結束語
熱設計是三維高功率密度封裝技術的關鍵問題,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,三維封裝結構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 軟件進行三維仿真,得到模塊的穩(wěn)態(tài)傳熱結果,給出優(yōu)化模塊熱性能的依據。
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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和高頻軟開關DC/ DC 變換器。
阮新波(1970 —) ,男(漢族) ,湖北洪湖人,教授,博士,博士生導師,主要研究方向為高頻軟開關DC/ DC 變換器、高頻軟開關逆變器、變換器的建模分析和電力電子集成系統。
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