摘要：针对微波电路A类扩大器常用的功率扩大器芯片，树立了芯片内部封装后的散热模型。依据热阻理论，在对扩大器芯片等效热阻做热剖析的基础上，选用Icepak对影响芯片散热的焊料层、垫盘、基板的资料和厚度进行优化，剖析各个变量对芯片温度形成的影响，最终给出了高可靠性的芯片热规划成果。
关键词：热规划;功率芯片;Icepak;优化
在微波扩大电路中，功率芯片是整个电路最为中心的部分。芯片中很多的半导体器材在作业时会发生很多的热量。芯片如果在封装进程中散热功率达不到要求的话，堆集的热量会影响器材特性，乃至是破坏器材形成电路失掉功用。为了进步芯片的可靠性，有必要进行热剖析与热操控。Icepak作为一款专业的热剖析软件，供给了体系级、板级到器材级不同类型的热剖析渠道，其求解进程依据fluent求解器，能够核算稳态和瞬态不同的进程。强壮的后处理能够用云图直观地输出各个参量。相关于传统的热规划计划，依据Icepak的仿真优化规划办法能够节省本钱和缩短研发修正周期，进步产品的一次成功率和提早上市时刻。
文中在介绍热阻理论的基础上，具体地介绍了Icepak软件建模、网格区分、求解和后处理的进程。收集收拾了改动焊层、垫板和基板的资料和厚度时芯片最高温度并剖析原因，总结并给出最优化的热规划成果。
1 典型功率芯片封装结构和等效热阻模型
暖流自芯片流向外部环境所遭到阻止称为热阻。也指1 W功率在传热途径上发生的温度差，其表达是表明为：
R=△T/P (1)
关于热导率为K，厚度为h，横截面积为S的物体热阻：
R=h/(K*S) (2)
图1是此功率芯片封装和散热结构示意图。芯片制品封装今后，芯片、垫板、基板和壳体经过焊料紧密连接在一起。半导体裸芯片满负荷作业时的内热阻Rjc能够由出产商供给的手册查到，本文首要经过改动焊料、垫盘和基板的资料和厚度进行优化，减小芯片的外部热阻Rout使得芯片能够习惯愈加杂乱的热环境，以到达结构和工艺最优化的意图。
对流和辐射关于芯片发生的热量散热奉献很小，所以优化进程中咱们只考虑热传导进程。芯片的边长为11，焊料层厚度为h1，垫盘厚度为h2，基板厚度为h3，因为厚度比较与横截面尺度很小，咱们取各层的上表面面积作为截面面积来核算热阻。依据式(2)咱们能够得到从第一层焊料到基板底部焊料层的热阻为：
K1、K2、K3分别是焊料、垫盘和基板的导热系数。
由公式(3)咱们能够得到在替换不同导热系数的资料和更改各层资料的厚度时分，都会对热阻发生影响。而经过优化使热阻到达最小能够令芯片在更高的环境温度下正常作业正是咱们的意图。传统理论核算优化办法在面临杂乱模型时作业量非常巨大，故本文选用ANAYS公司的Icepak软件作为优化规划东西。
2 Icepak建模
Icepak是专业的热规划软件，该软件供给了丰厚的模型和资料库。并支撑使用者新建资料。其供给的多变量优化核算能够对存在多个变量的模型主动优化，并能够界说多种输出函数来输出想要的成果。
图2是依据表1在Icepak中树立的简化模型并进行网格区分。因为芯片厚度Y远小于其X尺度，所以在Y方向最小网格边长是X方向上的非常之一。
3 核算与优化
表格2给出了各个结构常用的资料和导热率。芯片热参数如下：焊料为铅锡合金，垫盘为钼铜合金，基板为铝硅碳资料。额定功率为4.5 W，内部热阻为7.8℃/W，芯片约束作业温度为150℃，所以外部热阻与芯片触摸面答应到达的最高温度为：
Tcmax=150℃-7.8℃/W×4.5 W=114.9 ℃
坚持焊料、垫盘和基板水平方向尺度不发生改动，在作业环境为70℃时，经过改动厚度和资料时，Icepak优化核算成果收拾如下：
由图3(a)可知，关于金锡合金焊料，芯片温度跟着焊料层厚度添加而下降，关于铅锡焊料，芯片温度跟着焊料厚度添加添加。并且当铅锡焊料层厚度为0.1 mm时，芯片与触摸免处温度超越115℃，相同状况选用金锡焊料芯片温度能够下降20℃;图3(b)指出其它条件不变时，温度随纯铜垫盘厚度添加而下降，铜片厚度为0.1 mm时，最低点为89 ℃，选用钼铜合金垫盘时温度跟着钼铜厚度出现先下降后升高的
状况，在钼铜厚度为0.7 mm，芯片有最低温度102℃;图3(b)可知芯片温度跟着底板厚度添加温度呈上升趋势，不同类型底板上升速度不同，氧化铝型底板上升最快，铝硅碳其次，氧化钡型最慢。
4 优化成果
针对环境温度70℃恶劣作业条件，在坚持原有扩大器芯片水平尺度不变时，IceDak经过优化焊料、垫盘和底板3个变量的厚度和资料得出了如下最优化结构。
图4指出在金锡焊料层厚为0.1 mm，纯铜垫盘厚度为0.8mm，底板厚度为0.5 mm时，芯片最高温度为87℃，与临界温度105℃还相差较大，芯片可在此温度高稳定性作业。
5 结束语
本次优化规划选用Icepak，在设定变量焊料、垫盘和底板的资料和改动规模之后，Icepak主动进行优化并保存了一切的核算成果，最终给出能够使芯片具有最低温度的成果。与以往芯片优化办法比较更智能，优化成果关于芯片封装厂商出产高性能芯片具有参考价值。
