基于TSV的三維高功率芯片的散熱特性研究.pdf

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

2、一種內含TSV和微流道的三維疊層結構，采用微通道液冷技術對芯片進行散熱，建立模型并進行相關研究。
　　本文主要包括以下內容：
　　1、對封裝體內數量眾多的焊點進行了等效，提出了焊點部分的等效方法，推導了等效熱導率計算公式。建立了含有400個焊點的實際模型和對應的等效模型，在加入填料和不加填料兩種情況下，針對不同的焊點直徑和焊點間距，采用ANSYS Workbench軟件仿真分析了等效方法的誤差，得到結論：采用本文提出的焊點等

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封裝體內部TSV尺寸微小且數量眾多，因此對含有TSV的轉接板進行了等效，推導了等效熱導率計算公式，分析了轉接板的等效熱導率隨TSV直徑、間距、深寬比的變化規(guī)律。建立了包含100個TSV的轉

4、接板的實際模型和對應的等效模型，采用ANSYS Workbench軟件進行穩(wěn)態(tài)熱分析，并對比分析了等效方法的誤差，得到結論：轉接板的等效熱導率隨著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、基于焊點陣列和含有TSV的轉接板的等效方法對整體模型進行了簡化，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，采用ANSYS CFX軟件進行了流體動力學仿真，對比分析了微流道內流體的壓力場和芯片上的溫度場，得到結論：不加散熱器時，芯片上的溫度高達1219.6K，而含有0.6mm寬的微流道在入口流速為1m/s時，對應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，相對壓差有所增加；同一寬度的微流道的散熱能力和相對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，0.6mm寬的微流道不能滿足微泵的微型化需求，通過對微流道進行結構優(yōu)化，將肋片的占空比由1調整為0.5，仿真后得到結論：在冷卻液入口流速為0.5m/s時，芯片上的最高溫度降為63.5℃，微流道出入口的壓差為0.50441bar，能夠滿足系統熱設計和微泵尺寸微型化的要求。隨后，對散熱系統整體封裝結構