基于TSV的三維高功率芯片的散熱特性研究.pdf

1、三維封裝通過(guò)在Z方向堆疊多個(gè)裸晶，實(shí)現(xiàn)了高密度封裝，滿(mǎn)足了電子產(chǎn)品的低成本、低功耗、小尺寸等方面的要求。然而，3D封裝存在著非常嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，因此，對(duì)3D高功率芯片進(jìn)行散熱性能研究具有十分重要的意義。
　　針對(duì)3D高功率芯片，將微流道集成在轉(zhuǎn)接板內(nèi)，利用微流體的循環(huán)流動(dòng)帶走發(fā)熱芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，將芯片的工作溫度維持在合適的范圍內(nèi)，是一種可行的散熱方案。本文針對(duì)功耗為100W，熱流密度為100W/cm2的3D高功率芯片，提出了

2、一種內(nèi)含TSV和微流道的三維疊層結(jié)構(gòu)，采用微通道液冷技術(shù)對(duì)芯片進(jìn)行散熱，建立模型并進(jìn)行相關(guān)研究。
　　本文主要包括以下內(nèi)容：
　　1、對(duì)封裝體內(nèi)數(shù)量眾多的焊點(diǎn)進(jìn)行了等效，提出了焊點(diǎn)部分的等效方法，推導(dǎo)了等效熱導(dǎo)率計(jì)算公式。建立了含有400個(gè)焊點(diǎn)的實(shí)際模型和對(duì)應(yīng)的等效模型，在加入填料和不加填料兩種情況下，針對(duì)不同的焊點(diǎn)直徑和焊點(diǎn)間距，采用ANSYS Workbench軟件仿真分析了等效方法的誤差，得到結(jié)論：采用本文提出的焊點(diǎn)等

3、效方法，Z方向的溫度誤差小于±1.0％，X-Y方向的溫度誤差小于±30.0％。而將焊點(diǎn)部分全部視為焊料的等效方法，Z方向的溫度誤差在±65.0％~±99.0％之間，X-Y方向的溫度誤差很大，在±97.85％~±99.94％之間。
　　2、由于3D封裝體內(nèi)部TSV尺寸微小且數(shù)量眾多，因此對(duì)含有TSV的轉(zhuǎn)接板進(jìn)行了等效，推導(dǎo)了等效熱導(dǎo)率計(jì)算公式，分析了轉(zhuǎn)接板的等效熱導(dǎo)率隨TSV直徑、間距、深寬比的變化規(guī)律。建立了包含100個(gè)TSV的轉(zhuǎn)

4、接板的實(shí)際模型和對(duì)應(yīng)的等效模型，采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，并對(duì)比分析了等效方法的誤差，得到結(jié)論：轉(zhuǎn)接板的等效熱導(dǎo)率隨著TSV直徑的增大而增大，隨著TSV間距的增大而減小，隨著TSV深寬比的增大而減小。采用本文提出的轉(zhuǎn)接板等效方法，其Z方向和X-Y方向的溫度誤差均低于±10％。
　　3、基于焊點(diǎn)陣列和含有TSV的轉(zhuǎn)接板的等效方法對(duì)整體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了不加散熱器的仿真模型；建立了含有0.2mm，0.4

5、mm，0.6mm，0.8mm和1.0mm五組不同寬度的微流道的仿真模型，在冷卻液入口流速分別為0.1m/s，0.5m/s，1m/s和2m/s時(shí)，采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)比分析了微流道內(nèi)流體的壓力場(chǎng)和芯片上的溫度場(chǎng)，得到結(jié)論：不加散熱器時(shí)，芯片上的溫度高達(dá)1219.6K，而含有0.6mm寬的微流道在入口流速為1m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的芯片上的最高溫度降為334.1K；同一冷卻液入口流速下隨著微流道寬度的減小，其換熱能力有

6、所提高，相對(duì)壓差有所增加；同一寬度的微流道的散熱能力和相對(duì)壓差均隨著冷卻液入口流速的增加而增大。
　　4、在冷卻液入口流速為1m/s時(shí)，0.6mm寬的微流道不能滿(mǎn)足微泵的微型化需求，通過(guò)對(duì)微流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將肋片的占空比由1調(diào)整為0.5，仿真后得到結(jié)論：在冷卻液入口流速為0.5m/s時(shí)，芯片上的最高溫度降為63.5℃，微流道出入口的壓差為0.50441bar，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)和微泵尺寸微型化的要求。隨后，對(duì)散熱系統(tǒng)整體封裝結(jié)構(gòu)