高功率芯片散热方案仿真分析文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

随着科学技术的发展，市场上的电子设备逐步向体形小、功能全面的方向发展。电子设备上必不可少的芯片也开始拥有越来越高的功率。小到日常使用的个人PC、手机、电视，大到飞机、火车、空间站通讯等等，都离不开芯片。但是，在做到高功率的同时，我们还需要芯片的体积尽量小，所以高功率芯片的封装技术也开始备受关注。根据不完全数据统计分析，我们可以得出市场上目前使用较多封装技术。

总所周知，陶瓷具有良好的散热功能，因其材料的特性被广泛使用于手机的机身外壳。而陶瓷基本与外壳封装技术分为低温陶瓷共烧材料体系和氧化铝高温陶瓷共烧体系。前者的热导率非常小，其主要原因是采用了昂贵的金银等金属化材料；后者与前者的性能指标对比如表1所示^[4-7]。

近年来，随着中国经济的突飞猛进，我国电力电子领域也得到了快速的发展。国产大飞机C919的问世，代表着我国自主研发的技术更上一层楼。无论是国产大飞机还是我们的华为手机，都离不开芯片设计，而这些高功率芯片越来越多的基板需要满足其过大电流的需求，开始使用覆铜陶瓷基板。该类基板的抗热震性能良好，我国在覆铜陶瓷基板领域的研究工作已有相对成熟的结论，但没有实现批量化生产。不同材料陶瓷覆铜基板的性能如表2所示^[8-12]。

金属封装热沉与外壳封装技术，最开始时是采用铁镍合金作为材料的，因为铁镍合金与芯片和陶瓷两种材料在热膨胀系数方面十分吻合。虽然技术理论相近，但不同的公司在材料选择上依旧有很大的出入。就目前而言，国内外主要使用钨铜和铜钼铜等材料作为大功率芯片的封装外壳底板。

根据市场的需求分析，可以知道芯片的封装不仅要满足高的集成度，还需要满足大功率的快速散热。目前市场上比较主流的芯片封装大多采用焊接封装技术。焊接封装使用的材料就需要具有良好的焊接性能，高硅铝合金因而被广泛使用^[13]。芯片封装的外壳不同部位都有

图1 　梯度硅铝示意图

着不同的要求。为了满足不同的要求，梯度材料的方案被用于外壳设计。在外壳底部，用于安装芯片的部位，因为需要良好的散热性能，所以使用含硅量较高的材料，以此保证较低的热膨胀系数；盖板与壳体之间需要进行焊接，所以使用含硅量较低的材料，便于安全焊接。整体的结构示意如图1所示。

为了节省材料以及研制时间，有限元分析是我们最佳的模拟实验选择。有限元分析软件ANSYS无论是宏观还是微观领域，都能有效进行实验。不同规格的高功率芯片散热分析也可以使用ANSYS完成。使用ANSYS完成建模、网格划分、边界条件的设定等一系列工作，进行多芯片组件稳态热分析。但是，将仿真得出的数据与红外热像仪实测的数据进行对比，可以发现还是存在很大的出入，这也表明仿真技术在预测芯片实际散热方面的局限性。尽管在更