高熱流密度熱沉結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與集成方法研究.pdf

1、近年來，由于GaN HEMT器件在工作中會(huì)發(fā)生自熱效應(yīng)以及出現(xiàn)溫度不均勻的熱點(diǎn)，其散熱的需求越來越急迫。選擇高熱導(dǎo)率材料作為熱擴(kuò)散器，以快速、有效的將熱量傳輸?shù)綗岢两Y(jié)構(gòu)；選擇以強(qiáng)迫液冷為主要散熱方式的微流道能快速進(jìn)行熱交換，帶走大部分熱量；選擇合適的集成方法，以使接觸熱阻最低，更有利于散熱。本文結(jié)合熱擴(kuò)散器和微流道這兩種散熱方式于一體，采用共晶鍵合的方法集成高熱流密度芯片和高熱導(dǎo)率的金剛石以及Si基微流道，期望能更加高效地傳導(dǎo)熱量降低高

2、熱流密度芯片的結(jié)溫。首先對(duì)所設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真以確定所設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)具有較好的散熱效果，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試金剛石熱擴(kuò)散器、微流道和共晶鍵合集成方式的散熱效果。具體研究工作及結(jié)果如下：
　　(1)使用ANSYS Icepak15.0軟件對(duì)所運(yùn)用的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)散熱效果的影響。結(jié)果顯示：微流道的流道個(gè)數(shù)對(duì)熱點(diǎn)溫度影響較大，流道個(gè)數(shù)增多，微流道的散熱效果越好，但散熱能力隨流道個(gè)數(shù)增多趨于飽和；微流道內(nèi)冷卻

3、液流速對(duì)散熱影響也很大，冷卻液流動(dòng)越快，熱點(diǎn)溫度越低；冷卻劑為無水乙醇時(shí)的散熱效果優(yōu)于去離子水。金剛石熱擴(kuò)散器可以顯著降低熱點(diǎn)的表面溫度并使熱點(diǎn)溫度分布更加均勻，還能減小傳熱路徑上的溫差，讓熱量更加均勻的分布在微流道上，以便微流道能更好的發(fā)揮作用。金剛石擴(kuò)散器厚度越大，散熱能力越好，而且隨著加載功率的升高，不同厚度熱擴(kuò)散器的散熱能力差距越大。共晶鍵合使用的AuSn材料由于熱導(dǎo)率高，所以導(dǎo)熱效果良好，有利于熱點(diǎn)溫度降低，使熱點(diǎn)溫度分布均勻

4、，使熱量快速傳導(dǎo)至金剛石熱擴(kuò)散器和微流道。
　　(2)探究共晶鍵合集成方式的最佳工藝參數(shù)，使得鍵合完成后，鍵合層形貌最佳。鍵合層的形貌越均勻致密越有利于高熱流密度熱點(diǎn)的散熱，多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鍵合集成中，實(shí)驗(yàn)溫度升高，可以使焊料充分互熔，鍵合層更加均勻致密；并且適當(dāng)?shù)脑黾訅毫δ茏屾I合層結(jié)構(gòu)更致密均勻；但對(duì)于大多數(shù)的集成器件來說，為防止器件失效，期望適當(dāng)降低鍵合溫度，發(fā)現(xiàn)壓力1.05MPa下，鍵合溫度為280℃時(shí)，鍵合完成后AuSn

5、層的形貌優(yōu)異，此時(shí)，既能滿足鍵合強(qiáng)度的要求又能滿足散熱的要求，所以將其選擇為最佳工藝參數(shù)。
　　(3)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證金剛石熱擴(kuò)散器、微流道和共晶鍵合集成方式的散熱效果。分別制備對(duì)照的樣品，使用紅外熱像儀測(cè)試熱點(diǎn)溫度，以驗(yàn)證各自的散熱效果，測(cè)試結(jié)果顯示：金剛石片能降低熱點(diǎn)溫度，并使溫度分布均勻，在功率為4.9W時(shí)，能控制熱點(diǎn)最高溫度在49.5℃以下，比Si片上的熱點(diǎn)溫度低8.5℃左右，熱點(diǎn)上各個(gè)峰值之間的溫差不超過1.2℃。無論熱點(diǎn)是

6、在Si片上還是在金剛石片上，微流道的散熱效果都很顯著，在6.4W時(shí)，微流道能為Si片和金剛石片上的熱點(diǎn)分別降溫約9℃和5.8℃。流道內(nèi)冷卻液流量的大小變化同樣對(duì)熱點(diǎn)表面溫度有很大影響，熱點(diǎn)溫度會(huì)隨冷卻液流量的增大而逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定，100mL/h的流量能為熱點(diǎn)多降低溫度28.3℃，通過調(diào)整冷卻液流量，熱點(diǎn)溫度穩(wěn)定在37℃左右。另外，無水乙醇由于熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于去離子水，所以散熱效果也很突出。AuSn鍵合層對(duì)于熱點(diǎn)溫度降低有積極作用，當(dāng)