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器件在工作中會發(fā)生自熱效應(yīng)以及出現(xiàn)溫度不均勻的熱點，其散熱的需求越來越急迫。選擇高熱導(dǎo)率材料作為熱擴散器，以快速、有效的將熱量傳輸?shù)綗岢两Y(jié)構(gòu)；選擇以強迫液冷為主要散熱方式的微流道能快速進行熱交換，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。首先對所設(shè)計的散熱結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真以確定所設(shè)計的散熱結(jié)構(gòu)具有較好的散熱效果，并實驗測試金剛石熱擴散器、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軟件對所運用的散熱結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，研究了散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對散熱效果的影響。結(jié)果顯示：微流道的流道個數(shù)對熱點溫度影響較大，流道個數(shù)增多，微流道的散熱效果越好，但散熱能力隨流道個數(shù)增多趨于飽和；微流道內(nèi)冷卻

3、液流速對散熱影響也很大，冷卻液流動越快，熱點溫度越低；冷卻劑為無水乙醇時的散熱效果優(yōu)于去離子水。金剛石熱擴散器可以顯著降低熱點的表面溫度并使熱點溫度分布更加均勻，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，有利于熱點溫度降低，使熱點溫度分布均勻

4、，使熱量快速傳導(dǎo)至金剛石熱擴散器和微流道。
　　(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的散熱，多次反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)：鍵合集成中，實驗溫度升高，可以使焊料充分互熔，鍵合層更加均勻致密；并且適當?shù)脑黾訅毫δ茏屾I合層結(jié)構(gòu)更致密均勻；但對于大多數(shù)的集成器件來說，為防止器件失效，期望適當降低鍵合溫度，發(fā)現(xiàn)壓力1.05MPa下，鍵合溫度為280℃時，鍵合完成后AuSn

5、層的形貌優(yōu)異，此時，既能滿足鍵合強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)實際測試驗證金剛石熱擴散器、微流道和共晶鍵合集成方式的散熱效果。分別制備對照的樣品，使用紅外熱像儀測試熱點溫度，以驗證各自的散熱效果，測試結(jié)果顯示：金剛石片能降低熱點溫度，并使溫度分布均勻，在功率為4.9W時，能控制熱點最高溫度在49.5℃以下，比Si片上的熱點溫度低8.5℃左右，熱點上各個峰值之間的溫差不超過1.2℃。無論熱點是

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，微流道能為Si片和金剛石片上的熱點分別降溫約9℃和5.8℃。流道內(nèi)冷卻液流量的大小變化同樣對熱點表面溫度有很大影響，熱點溫度會隨冷卻液流量的增大而逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定，100mL/h的流量能為熱點多降低溫度28.3℃，通過調(diào)整冷卻液流量，熱點溫度穩(wěn)定在37℃左右。另外，無水乙醇由于熱導(dǎo)率遠高于去離子水，所以散熱效果也很突出。AuSn鍵合層對于熱點溫度降低有積極作用，當