Comsol芯片封装散热仿真计算

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文章摘要

文章强调了芯片封装散热的重要性，介绍了被动散热和主动散热等多种散热方式。被动散热如翅片散热简单但效果有限，主动散热如风冷、热管、液冷及热电制冷则更高效。文章详细分析了各种散热方式的优缺点和适用场景。此外，文章还阐述了在Comsol软件中建立的芯片散热计算模型，通过仿真计算展示了芯片的温度场和流速分布，为优化散热设计提供了依据。

正文

1.芯片封装散热

（1）封装

封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便于其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。芯片封装的主要功能作用可概括为以下几点：

（1）传递电能。所有电子产品都以电为能源，电能的传递包括电源电压的分配和导通，在封装过程中对于电能传递的主要考量是将不同部位的器件和模块所需的不同大小的电压进行恰当的分配，以避免不必要的电损耗，同时兼顾考虑地线分配问题。电能的传送必须经过线路的连接才能实现，这是芯片封装的主要功能作用。

（2）传递电信号。集成电路产生的电信号或外部输入的电信号，需通过封装将不同层之间的线路传递到正确的位置，这些线路不仅要保证电信号的延迟尽可能小，而且还要保证传递的路径达到最短。因此在经过芯片封装使各线路连接后，各电子组件间的电信号传递既有效也高效。

（3）散热。集成电路的各元器件、部件、模块在长时间工作时会产生一定的热量。芯片封装就是利用封装材料良好的导热性能将电路间产生的热量有效地散失，使芯片在合适的工作温度下正常工作并达到各项性能指标的要求，不致因工作环境温度积累过高而造成电路的毁损。

（2）芯片散热方式

解决芯片散热问题的突破点是提高热传递效率。为了使芯片产生的热量能快速转移到空气中，需要借助一些外部散热方式，外部散热方式分为被动散热和主动散热。被动散热即自然对流散热，是依靠物体间存在的温度场梯度进进行热量转移，被动散热方式主要指翅片散热，适用于热流密度较小的芯片。主动散热即强制对流散热，是借助外部动力使热量快速转移，主要包含水冷散热、风冷散热、热管散热和半导体散热，强制对流换热效果是自然对流换热效果的 10 倍，散热面积可减少 5-10 倍。常见的散热方式如下：

（1）翅片散热：目前市面上降温装置多使用翅片散热，翅片散热是通过翅片的自然对流和热传导进行散热。翅片的肋数及面积对散热效果具有一定影响，为了达到更好的散热效果，需要扩大散热面积，即增加翅片的肋数及尺寸面积。翅片散热器具有增加简单、易操作且成本低廉的优点，但散热效果不理想，受工作环境温度影响，仅仅适用于小功率 LED 的散热。翅片散热是最常见的被动散热方式，对流换热系数较低，需要配合其他散热方式对器件进行散热。

（2）风冷散热：目前，风扇散热是除翅片散热外应用最广的散热方式。通过强制对流使空气快速带走 LED 芯片产生的部分热量。因为气流的方向可以控制，故风冷散热不受环境和布置方向太大的影响。风冷散热被广泛用于电子元器件的散热上，具有成本低廉、适用范围广的优点。但稳定性差，有噪音，不经济环保，需要消耗电能驱动。学者们多使用风冷散热或者将风扇与其他散热装置相结合的方式对芯片散热。

（3）热管散热：热管散热器是60年代发展起来的高导热性能的传热器件，具有“超导体”的美誉。热管散热的主要原理是利用介质在气态和液态的真空封闭管中进行相位变化来实现热量的交换，相变过程中散发和吸收热量来进行冷却，分为蒸端和冷凝端两部分，具有快速散热的优点。但由于导热管的体积小，需要布置大面积的的散热器进行散热，产生了成本高、体积大的问题。很多学者在热管原理的基础上，设计出不同结构的热管散热模型如环路热管、平板热管等。

（4）液冷散热：液冷散热是利用高比热容的液体吸收热量，对 LED 芯片热源进行快速冷却的一种散热方式。相比于翅片散热和空气散热，液冷散热具有较高的对流换热系数，具有降温迅速、无噪声的优点。液冷主要分为以下几种形式：雾化喷射冷却、冲击射流冷却、管路循环冷却、微通道冷却等。其中，微通道散热器是通过体体型微加工技术、电镀技术和激光微加工技术，对基板进行加工，制造出微米大小尺寸的流道，增大了与热源之间的接触面积，从而提高了换热效率。通过微泵推动水流在导管内循环流动，借用散热风扇对液体进行降温，从而降低芯片温度。目前多采用液冷与微通道散热器相结合的散热方式对热源进行散热。

（5）半导体散热技术-热电制冷器：热电制冷技术是基于珀尔帖效应来实现的，珀尔帖效应是指给两种不同半导体材料组成的回路施加电流，材料两端分别产生吸热和放热的现象，从而一端制冷一端制热。相比于液冷微通道、热管冷却系统因价格昂贵、可靠性低、体积大等产生的问题，热电制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）具有低噪音、体积小、无移动部件的优点[。TEC 可以通过控制电流实现冷端陶瓷瓷基板的精准控温，并且冷端可以达到零下二十摄氏度，是目前新型半导体散热技术的研究热点。