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基于Icepak的功率混合集成电路热设计分析 　　摘要本文基于ansysicepak软件，对影响功率集成电路热性能的功能模块布局方式以及外壳、基板、布线、焊接材料等设计因素进行初步研究，为功率集成电路的热设计分析提供了建议和依据。 　　关键词ansysicepak;热设计;功率集成电路 　　中图分类号：tm464文献标识码：a 　　doi：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.014 　　0引言 　　混合集成电路具有组装密度大、可靠性高、电性能好的优点，并且能够承受较高的电压和较大的功率[1]。通常将功率密度达到1w/in2以上（或输出功率大于5w）的混合集成电路，称为功率混合集成电路。由于功率混合集成电路具有高功率、大功耗的特点，需要专门的设计和制造技术来提高散热能力、控制内部温度，以满足技术性能及可靠性要求[2]。本文采用基于有限元分析方法的ansysicepak热分析模拟软件对功率混合集成电路进行热设计分析。 　　1典型工艺结构及热传导模型 　　1.1典型工艺结构 　　以某功率驱动器为例，其工艺结构如图1所示，功率部分的剖面图见图2。 　　1.2热传导的数学模型 　　热量传输有辐射、对流和传导三种基本方式，其中热传导是指同一介质或不同介质间，由于温差产生的传热现象，其表达式为。 　　由上述公式可看出，导热系数和导热方向的截面积对热传导的散热量影响较大。若要增强散热，可增大导热系数，选择导热系数较高的材料，或增加截面积等。 　　1.3ansysicepak软件模型建立 　　ansysicepak软件建模有两种方式，直接法和导入法。由于混合集成电路结构较简单，因此采用直接法进行建模。 　　首先对模型进一步简化，略去对散热影响较小的法兰盘和非功率器件。基于图1所示工艺结构，在icepak建模界面模型。并针对模型均为ansysicepak原始几何体的特点，采用非结构化方式进行网格划分。模型及网格划分如图3所示 　　选择模型，点击【edit】，在【properties】界面，添加材料属性，并按照表1参数设置元器件功耗值。 　　由于该功率集成电路模拟温度条件为固定壳温125℃，因此只考虑热传导和热辐射两种散热方式。在【basicsettings】求解基本设置面板中，仅选择【temperature】，打开辐射换热开关，并设置默认温度为125℃。 　　2功率混合集成电路热分析 　　2.1元器件布局对电路热设计的影响 　　单板设计多应用于中低功率电路，其功率部分对电路其他单元影响很小时，可将功率部分和信号处理部分设计在同一基板上，其优点是可以设计降低电路结构复杂性，简化工艺流程。分立设计是指将功率部分和信号处理部分布置在不同基板上，进行独立的设计和工艺加工制作[2]。高功率和中高功率电路的功率部分若使用单板设计（图4），对电路其他单元影响较大，因此需要将功率部分和信号处理部分设计在不同基板上（图5），能通过独立设计减小功率部分对其他部分的热影响[5]。并且功率部分采用价格较高的高热导率基板（aln、beo等），信号处理单元采用价格较低的常规基板（如al2o3），在一定程度上降低了基板制作成本。 　　2.2基体材料对电路热设计的影响 　　2.2.1底板材料 　　基于混合集成电路陶瓷类基板与金属材料的匹配性考虑，常用的外壳材料包括10#钢冷轧钢。在散热要求极高的情况下，可考虑底板部分使用钼铜、钨铜、紫铜等成本较高的铜基材料。 　　各种材料的热传导率及使用该种材料时器件表面最高温度见下表。 　　2.2.2基板材料 　　混合集成电路通常采用陶瓷基板，常规基板以96%al2o3三氧化二铝基板为代表，高导热基板常用99%beo氧化铍、aln氮化铝等材料。此外，与beo氧化铍相比，aln氮化铝基板的一个重要特性是氮化铝材料的热膨胀系数为4.45×10-6/℃，与热膨胀系数为4.5×10-6/℃的si十分接近，适合于功率ic芯片的高可靠组装[6]。因此，当前aln氮化铝基板在功率电路中的使用则越来越广泛。al2o3陶瓷热导率虽低，但有最多的厚膜浆料与之配套，对于功率不大的中低功率电路，可优先选用al2o3陶瓷。 　　三种基板的热导率、适用功率密度、安全性及使用该种材料时器件表面最高温度见下表。 　　2.2.3布线方式 　　陶瓷基板常用布线方式有两种，一为厚薄膜布线，二为直接覆铜。96%al2o3、beo、aln三种基板材料均可以采用这两种方式布线。厚薄膜工艺是陶瓷基板的主要布线方式。厚薄膜