倒装芯片集成电力电子模块的热设计
王建冈, 阮新波(1. 盐城工学院电气工程学院, 江苏盐城224003 ; 2. 南京航空航天大学自动化学院, 南京210016)
摘 要: 将倒装芯片( Flip Chip , FC) 技术引入三维集成电力电子模块( Integrated Power Electronic Module , IPEM) 的封装,可构建FC2IPEM。在实验室完成了由两只球栅阵列芯片尺寸封装MOSFET 和驱动、保护等电路构成的半桥FC2IPEM。针对半桥FC2IPEM ,建立半桥FC2IPEM 的一维热阻模型,分析模块主要的热阻来源。运用FLOTHERM 软件进行三维仿真,得到模块温度分布结果,给出优化模块热性能的依据。
关键词: 电力电子; 倒装芯片; 三维封装; 热设计
中图分类号: TN42 文献标识码:A 文章编号: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
在电力电子系统中,采用具有标准功率、热、控制接口的三维高功率密度封装集成电力电子模块( IPEM) 取代各分立元器件,可实现电力电子系统的高可靠性、高功率密度、高效率以及低成本[124 ] 。
造成电力电子模块失效的原因很多: 高温、振动、潮湿和灰尘等。其中,高温是最重要的因素,导致材料的物理结构和化学成分变化,其形式有交界面分离、芯片和基板破裂、互连失效等。温度增加,失效率呈指数增长趋势。模块的热设计已成为热传输技术应用的重要领域之一。
传统的热设计是在模块完成后,如果出现热问题,通过经验类比或应用有限的传热公式进行估计,然后再进行试验,这样交替完成整个热设计过程。
其缺点是结果不够精确,且设计周期长,成本高。
随着电子设备要求开发周期短、成本低,需要在产品的预研和开发阶段解决热设计问题,对热设计方案进行全面的可行性分析和优化设计,准确预计设计结果。借助于计算流体力学的热设计仿真分析软件,可以快速而准确地得到模块的热设计分析结果,据此可对模块的器件布局、风道设计、风扇选型、材料选择、散热器设计等提供直观而准确的依据,从而加快热设计的速度并提高设计质量[528 ] 。
3D 高功率密度封装IPEM 结构紧凑,热量集中,容易形成过热。热设计是三维高功率密度封装技术的关键, 直接影响IPEM 的性能、可靠性和成本。
文献[9 ]将倒装芯片( FC) 技术引入三维IPEM的封装,采用球栅阵列(BGA) 芯片尺寸封装器件,构建半桥( HB) FC2IPEM。FC2IPEM 采用三维封装结构,包含基板、焊接材料、下填充材料、热传导密封材料等多种不同特性的材料。本文将对FC2IPEM 进行热分析,给出优化模块热性能的依据。
2 热设计基础
2. 1 热传输原理
热力学第二定律指出:只要存在温度差,热能就会从高温点流向低温点。
热能的流动可表示为:
Φ=ΔT/ RT (1)
式中,Φ 为单位时间传输的热量, 即热流量(W) ;ΔT 为温度差( ℃) ; RT 为热阻( ℃/ W) ,常用来评估物体的传热性能。由此可得,在Φ一定时,要降低温度差,必须减小对应的热阻。
热能传输的基本方式是传导、对流和辐射[10 ] 。
三种热传输方式往往同时存在,热传输是多维的。
在具体情况下,可忽略次要因素进行简化分析。
2. 2 冷却技术
冷却技术可分为主动冷却技术和被动冷却技术[11 ] 。主动冷却系统本身需要能量,可提供高制冷容量,将温度控制到大气(环境) 温度之下。主动冷却系统可以较少使用风冷,甚至不用风扇。气体/ 液体强迫对流冷却、半导体致冷片、冷却循环系统等是典型的主动冷却技术。被动冷却技术包括:1) 采用高导热率材料替代低导热率交界面材料;2) 优化结构和布局;3) 封装中采用有效的传热器和散热器;4)将利用相变原理工作的热管集成于电力电子模块的封装中。对于结构设计紧凑的IPEM ,被动冷却技术更为适用。
2. 3 热设计
热设计主要考虑如何将元器件产生的热量以低
热阻路径散发出去,保证电力电子模块在规定的极限环境温度内长期可靠地工作。采用先进合理的电路拓扑和选用低功率损耗元器件,可减小电路的损耗。元器件的内部热阻主要取决于封装结构、尺寸和材料,当器件封装完成后,芯片到外壳的热阻几乎不会改变。由封装外壳到外界环境的热阻,可采用不同的方式来改善。电路拓扑和元器件一旦选定,热设计的主要内容就是热传输路径设计。
3 FC2IPEM 的热设计
3. 1 结构
半桥FC2IPEM 中,功率MOSFET 芯片夹在高导热率基板(底层) 和双面PCB (顶层) 之间。采用FC 技术,芯片的有源区通过焊料凸点实现与PCB底面对应焊盘的连接。芯片的背面焊接到底层基板。在焊料凸点周围,芯片与基板之间的缝隙进行下填充。在PCB 和底层基板之间填上热传导包封材料。最后,采用表面贴装技术,将驱动、保护等电路器件焊接到PCB 的上面。在半桥FC2IPEM 中,焊料凸点互连取代传统的引线键合,垂直的三维封装结构取代传统的平面封装结构。
在实验室完成了由两只B GA 芯片尺寸封装MOSFET 和驱动、保护等电路构成的半桥FC2IPEM ,如图1 所示。半桥FC2IPEM 的主要材料为:1) MOSFET ( FDZ3547N) ;2) 顶层基板: FR24基板,厚0. 6 mm ;3) 底层基板:铝基板。半桥FC2IPEM 的底板尺寸为50 mm ×50 mm。
3. 2 损耗分析
应用半桥FC2IPEM 构成同步整流Buck 变换器,电路原理如图2 所示。在电流连续模式,控制管Q1 工作在硬开关状态,同步整流管Q2 实现零电压开通。损耗分析结果:同步整流Buck 变换器输出12 V/ 3 A 时,同步整流管Q2 的损耗为0. 499 W ,控制管Q1 的损耗为0. 658 W。
3. 3 一维热阻模型
FC2IPEM 的第一热传输路径为:芯片的有源区产生的热量,以传导的方式,经过芯片、焊料再传输到底层基板,最后通过对流或辐射向大气散发。第二热传输路径为:以传导的方式,芯片产生的热量通过焊点和下填充材料传输至PCB ,然后通过对流或辐射向大气散发。
分析模块的热分布情况时,一维热阻模型可在较短时间内给出各物理层的情况。
3. 4 三维热分析
半桥FC2IPEM 采用三维封装结构,包含基板、焊接材料、下填充材料等多种不同特性的材料。一维热阻模型不能全面反映模块的实际情况,需要采用三维热分析。热分析软件主要有FLOTHERM、ICEPA K、I2DEAS 等,本文研究采用FLOTHERM。
3. 4. 1 FLOTHERM 软件
FLOTHERM 采用计算流体力学仿真技术,拥有大量专门针对电子工业的模型库。应用FLOTHERM ,可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路板及部件层,直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统传热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析[12 ] 。
重要参数的设定包括数学分析模式和流体流动属性的设定、系统环境(初始条件及边界条件等) 、模型参数的设定、网格疏密的控制。
由于本模块是在自然冷却条件下工作,本分析设定的热源模式是传导元件,并考虑辐射热传输。
3. 4. 2 FC2IPEM 的三维热模型
BGA 芯片尺寸封装MOSFET 是主要发热元件,模型中以立方体替代芯片上的焊料凸点,替代前后的热阻不变。本分析使用89 ×100 ×29 条网格线,258 100 个格点。
3. 4. 3 FC2IPEM 的热分析 热分析条件如下:
1) 大气(环境) 温度为35 ℃;
2) 模块在自然冷却、无散热器条件下工作;
3) 没有焊接空洞。FLO THERM 软件可以很清楚地显示出整个系统的等温面,及每个不同位置的速度分布、温度分布与压力分布,甚至可观察流场的情况。
同步整流Buck 变换器输出12 V/ 3 A 时,温度界面截图可得芯片的最高结温为59. 719 ℃, FCIPEM 可安全工作。
3. 5 参数分析
以实际模块为基准,改变其中的一个参数,进行下面的分析。
1) 上层PCB 对温度的影响。移去上层PCB ,Q1的最高结温为63. 226 ℃,升高3. 507 ℃。
2) 铝基板覆铜层面积对温度的影响。改变铝基板上与铜接线端O 相连接的覆铜层(也就是与Q2漏极相连的覆铜层) 面积AO ,其他条件保持不变,分析Q2 的结温变化情况。结果如图4 所示,AO 从36mm2 增加到740 mm2 时,Q2 的结温下降0. 226 ℃。
AO 增大到250 mm2 以后,Q2 的结温变化很小。需要说明的是,这里不考虑覆铜层自身的发热。
3) 铝基板绝缘层对温度的影响。铝基板绝缘层厚度对温度的影响如图5 所示。绝缘层厚度从0. 5mm 增加到1. 5 mm 时,Q1 的结温升高0. 499 ℃。
铝基板绝缘层材料的导热率对温度的影响如图6 所示。
绝缘层材料的导热率从0. 5 W/ mK提高到4 W/ mK时,Q1 的结温下降0. 771 ℃。
4) 铝基板铝板层厚度对温度的影响。铝基板铝板层厚度对温度的影响如图7 所示。铝基板金属底板层厚度从0. 5 mm 增加到2 mm 时, Q1 的结温下降2. 569 ℃。
上面的分析说明:1) 除了经过芯片、焊料传输到底层基板,再通过对流或辐射向大气散发外,芯片的热量还可通过焊料凸点传输到上层PCB ,然后通过对流或辐射向大气散发,FC2IPEM 的三维散热结构有效降低了芯片的结温;2) 与芯片漏极相连的覆铜层面积大于芯片封装面积时,增大覆铜层面积对芯片的结温影响不大;3) 铝基板绝缘层厚度增加,芯片的结温明显增加;4) 铝基板绝缘层材料的导热率提高,芯片的结温下降; 随着绝缘层材料的导热率提高,芯片的结温下降趋势变缓;5) 铝基板铝板层厚度增加,芯片的结温下降;随着铝板层厚度增加,芯片的结温下降趋势变缓。
从改善FC2IPEM 热性能的角度出发,铝基板的选择依据是:1) 铝基板的覆铜层对温度影响不大,主要考虑其通电流能力;2) 在满足绝缘要求的情况下,绝缘层的厚度越薄越好,选择导热率高的绝缘层材料;3) 选择铝板层较厚的铝基板。
4 结束语
热设计是三维高功率密度封装技术的关键问题,影响着IPEM 的性能、可靠性和成本。在半桥FC2IPEM 中,芯片中产生的热量既可通过芯片背面的绝缘金属基板散热,又可通过焊料凸点传输至PCB。由于下填充材料的使用,三维封装结构使热量更易于向外散发。建立了半桥FC2IPEM 的一维热阻模型,铝基板的绝缘层是最主要的热阻来源。运用FLOTHERM 软件进行三维仿真,得到模块的稳态传热结果,给出优化模块热性能的依据。
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作者简介:
王建冈(1968 —) ,女(汉族) ,江苏建湖人,副教授,博士,研究方向为电力电子集成系统和高频软开关DC/ DC 变换器。
阮新波(1970 —) ,男(汉族) ,湖北洪湖人,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为高频软开关DC/ DC 变换器、高频软开关逆变器、变换器的建模分析和电力电子集成系统。
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