高热流密度热沉结构的数值模拟与集成方法研究

近年来,由于GaN HEMT器件在工作中会发生自热效应以及出现温度不均匀的热点,其散热的需求越来越急迫。选择高热导率材料作为热扩散器,以快速、有效的将热量传输到热沉结构;选择以强迫液冷为主要散热方式的微流道能快速进行热交换,带走大部分热量;选择合适的集成方法,以使接触热阻最低,更有利于散热。本文结合热扩散器和微流道这两种散热方式于一体,采用共晶键合的方法集成高热流密度芯片和高热导率的金刚石以及Si基微流道,期望能更加高效地传导热量降低高热流密度芯片的结温。首先对所设计的散热结构进行数值仿真以确定所设计的散热结构具有较好的散热效果,并实验测试金刚石热扩散器、微流道和共晶键合集成方式的散热效果。具体研究工作及结果如下:(1)使用ANSYS Icepak15.0软件对所运用的散热结构进行数值模拟,研究了散热结构参数变化对散热效果的影响。结果显示:微流道的流道个数对热点温度影响较大,流道个数增多,微流道的散热效果越好,但散热能力随流道个数增多趋于饱和;微流道内冷却液流速对散热影响也很大,冷却液流动越快,热点温度越低;冷却剂为无水乙醇时的散热效果优于去离子水。金刚石热扩散器可以显著降低热点的表面温度并使热点温度分布更加均匀,还能减小传热路径上的温差,让热量更加均匀的分布在微流道上,以便微流道能更好的发挥作用。金刚石扩散器厚度越大,散热能力越好,而且随着加载功率的升高,不同厚度热扩散器的散热能力差距越大。共晶键合使用的AuSn材料由于热导率高,所以导热效果良好,有利于热点温度降低,使热点温度分布均匀,使热量快速传导至金刚石热扩散器和微流道。(2)探究共晶键合集成方式的最佳工艺参数,使得键合完成后,键合层形貌最佳。键合层的形貌越均匀致密越有利于高热流密度热点的散热,多次反复实验发现:键合集成中,实验温度升高,可以使焊料充分互熔,键合层更加均匀致密;并且适当的增加压力能让键合层结构更致密均匀;但对于大多数的集成器件来说,为防止器件失效,期望适当降低键合温度,发现压力1.05 MPa下,键合温度为280℃时,键合完成后AuSn层的形貌优异,此时,既能满足键合强度的要求又能满足散热的要求,所以将其选择为最佳工艺参数。(3)实际测试验证金刚石热扩散器、微流道和共晶键合集成方式的散热效果。分别制备对照的样品,使用红外热像仪测试热点温度,以验证各自的散热效果,测试结果显示:金刚石片能降低热点温度,并使温度分布均匀,在功率为4.9 W时,能控制热点最高温度在49.5℃以下,比Si片上的热点温度低8.5℃左右,热点上各个峰值之间的温差不超过1.2℃。无论热点是在Si片上还是在金刚石片上,微流道的散热效果都很显著,在6.4 W时,微流道能为Si片和金刚石片上的热点分别降温约9℃和5.8℃。流道内冷却液流量的大小变化同样对热点表面温度有很大影响,热点温度会随冷却液流量的增大而逐渐降低,直至趋于稳定,100 m L/h的流量能为热点多降低温度28.3℃,通过调整冷却液流量,热点温度稳定在37℃左右。另外,无水乙醇由于热导率远高于去离子水,所以散热效果也很突出。AuSn键合层对于热点温度降低有积极作用,当功率为6.4 W时,通过共晶键合集成的样品温度比通过导热硅胶粘接集成的热点温度低5.4℃,说明我们研究共晶集成方式对于高热流密度热点的热管理非常有必要。