微通道热沉中过热点问题研究及结构优化

微通道热沉具有比表面积大、散热效率高等优点,被广泛应用在芯片的热管理中。但随着微电子技术的发展,芯片不仅整体的功率和热流密度显著提升,而且会在局部产生热流密度很高的过热点,对其性能产生极为不利的影响。因此如何在保证整体换热性能的同时,对过热点进行有效地冷却,已成为芯片热管理亟待解决的问题。本文结合电子封装技术,建立了包含过热点和微通道热沉的封装模型,从流动换热和热应力两个角度对整体性能进行评估,并进行了几何结构优化。首先,建立了包含单一过热点的微通道热沉模型,数值分析了过热点对热沉冷却性能的影响。研究表明,过热点会改变了部分区域的温度和热应力分布,增大了温度梯度,同时随着过热点热负荷的增大恶化趋势加剧,这将对热沉的性能产生不利影响。在此基础上,结合MCM和BGA封装技术的特点,建立了包含多芯片(过热点)和微通道热沉的MCM-BGA 3D封装模型,通过热-流-固耦合计算,分别从整体和局部分析流动换热性能、热应力分布特性,并对封装系统的热管理进行了综合评估。结果表明,温度和热应力都处在合理范围内,多数区域分布相对均匀,但是局部存在梯度过大的问题。其中温度集中分布在靠近出口的芯片和焊球上,而热应变和热应力最大值出现在焊点附近。接触热阻对换热和热应力性能都产生了不利影响。基于特性分析结果,选择最高温度、单一芯片最大温差和最大热应力作为目标,对部分材料和结构参数进行分析,发现两个区域的相对流动方向、热介质材料导热系数及厚度、热拓展面厚度和基板厚度,都改变了换热和热应力性能。在单一参数的分析结果基础上,通过Nelder-mead方法对MCMBGA 3D封装模型进行了多目标优化设计。最后基于均匀过热点模型的分析结果,从热流密度和几何排布两个方面,建立过热点非均匀分布的模型,探究最佳性能下的内部排列。结果表明,对所研究的封装模型当靠近入口一排的芯片功率为50W时,模型有最佳的性能;对芯片平移和旋转都能改善流动特性,优化换热和热应力性能,平移距离约为0.75mm或旋转角度约为10°时,整体性能最佳。本文的研究结果对改善芯片上过热点的冷却效果,设计具有良好热性能的封装模型有重要指导意义。