一种星载表贴芯片的散热结构设计与优化

摘 要：星载电子设备大功率表贴芯片的特点是热沉面一般在其顶部，四周通过上百个管脚焊接在印制板上。传统的设计方法是在芯片顶部扣压非弹性的金属板将热量通过传导带走。但是金属板和芯片之间的正压力不易控制，压力小则热阻大，无法满足散热要求，而压力大则容易使芯片管脚在卫星发射时断裂。给出一种“弹簧帽”散热结构，使用Flotherm软件对其进行了优化设计。分析结果与实际应用结果表明“弹簧帽”散热结构完全达到了设计要求。

关键词：星载电子设备；“弹簧帽”结构；表面贴装技术；热分析

中图分类号：TN803;TP302 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)2201503

Heatspreader Structure Design and Optimization of the Spaceborne SMT Chips

ZHU Jinbiao

(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190,China)

Abstract：Characteristics of SMT chips of high power are that the heat-sink plane of them is on the top and there are hundreds of pins welded on the PCB.As a rule,the method of taking off the heat of the chips is to press an un-spring metal plane on the chips.The disadvantage of this method is the positive pressure brought to chips can not be concroled,that is to say,little pressure on chips will get more thermal resistence so that the method does not well in spreader heat,on the other hand,more pressure will get pins of chips breaks while satellite being launched.This paper designs a sping-cap-structure,analyzes and optimizes these structures using flotherm software,which comes to a useful conclusion that the sping-cap-structure meets the requirement of designs.The sping-cap-structure has been used in the satellite.

Keywords：spaceborne electronic equipment;sping-cap-structure;SMT;thermal analysis

1 引 言

为了满足星载电子设备可靠性热设计要求，使芯片结温控制在一定温度范围内［1］，降低设备的失效概率，必须针对大功率芯片进行热设计［2,3］。而大功率表贴芯片的散热结构设计一直是星载电子设备可靠性热设计的难点。

常见的热沉面在顶面的芯片的散热方法是采用一整块金属导热板［4］扣压在需要散热的大功率芯片的表面，热量通过金属导热板传导给机箱，或者使用一小块帽子形状的金属导热板扣压在芯片顶部和冷板［4］上，热量先通过帽子形金属导热板传导给冷板，然后再传导给机箱。这两种散热方案都存在可靠性低的问题：一是芯片顶部受到的正压力难以控制，受压力过大，芯片的焊点容易在卫星发射时的剧烈振动和冲击力下遭到破坏；压力过小，芯片的热沉面与散热结构接触面就减小，增大了热阻，无法满足芯片散热的要求；二是由于芯片和金属导热板之间的热膨胀系数不同，受热变形后容易产生较大的内应力。

本文设计一种弹性的弹簧帽散热结构，可以很好地解决这一问题。

2 常用星载表贴芯片的特点

星载电子设备常用表贴芯片的封装形式［5,6］主要有QFP塑料方型扁平式封装、PFP塑料扁平组件式封装、BGA球栅阵列封装、PLCC封装、SOP小外形封装等，如图1所示。

其中，QFP，PFP，PLCC，SOP等封装形式的芯片在电装时不需在PCB板上制作焊盘孔，而是在PCB板表面对应芯片管脚位置上设置焊盘，采用SMT表面贴装技术实现与PCB板的焊接。由于器件底面与PCB的留有间隙（约0.2 mm），所以器件的受力都作用到了管脚和焊盘上。

3 “弹簧帽”散热结构

基于上述表面贴装芯片的特点，设计”弹簧帽”式散热结构如图2所示。

图2所示1为散热板；2为弹簧帽散热结构；3为芯片；4为PCB板；5为导热绝缘胶或片。散热方案是：在芯片周围铺设散热板，采用帽子形具有弹性的簧片扣压在芯片热沉面上，然后用螺钉将弹簧帽的边沿安装到散热板与PCB组件上。热量通过弹簧帽传导给散热板，再传导到机箱、卫星热控系统。

图1 各种表面贴装芯片

图2 “弹簧帽”式散热结构

弹簧帽材料选用弹性和导热性能均较好的铍青铜合金（牌号为QBe2，QBe1.7，1.9或者QBe1.9-0.1）、锡青铜合金（牌号为QSn4-3或者QSn6.5-0.1）或铝青铜合金（牌号为QAL5或者QAL7）。为增加弹簧帽与芯片热沉面之间接触面积，减小热阻，在它们之间增加导热系数高、绝缘性能好的导热胶或片，这种导热绝缘胶的厚度控制在0.13～0.25 mm，热阻为0.3～0.6，绝缘度为3 000～6 000 VA，能够在温度-40~120 ℃之间正常工作。

4 散热帽结构的热仿真分析

使用Flotherm软件对弹簧帽散热结构进行热仿真分析，建立如图3所示几何模型。

给定芯片功耗为400 mW，左右散热板边条的温度恒定为45 ℃，PCB板材料从Flotherm软件材料库里选取为FR4。在芯片内部设定一个监测点，并设定两种工作状态：一种带有弹簧帽结构，另外一种去掉弹簧帽结构，得到监测点的稳态温度变化曲线，如图4所示。

图3 弹簧帽散热结构几何模型

图4 监测点的稳态温度变化曲线

图4中纵坐标表示监测点的温度，横坐标表示稳态解算过程。0～6区间为采用弹簧帽散热结构时的监测点温度变化曲线，最高温度为50.2 ℃，6～16区间为去掉弹簧帽散热结构时的监测点温度变化曲线，最高温度为63.5 ℃。图4说明弹簧帽散热结构可以明显降低芯片的温升。

5 散热帽结构的优化设计

热传导基本规律――傅里叶定律［7］的数学表达式为：

ИЕ=－λAdTdx（1）И

式（1）中：Е瘴热流量，单位为W；A为垂直于温度梯度矢量的面积；λ为材料的热导率，又称导热系数，单位是W・m－1・K－1。

从式（1）可以看出，热流量与垂直于温度梯度矢量方向的导热面积成正比，而弹簧帽结构的壁厚是影响导热面积和重量的重要参量。保持散热板截面积、弹簧帽结构与散热板之间的接触面积不变，对不同壁厚条件下的弹簧帽结构进行稳态分析，得到如图5所示的温度曲线。

图5所示为弹簧帽壁厚度分别为0.1 mm，0.2 mm，0.4 mm，0.8 mm和1.6 mm五种情况下的稳态温度对比图，这些厚度分别对应的区间是0~7，7~12，12~17，17~23，23~40。

从图5中监测点温度的变化情况可知，厚度在0.1～1.6 mm范围内的弹簧帽散热结构的稳态温度相差不大。在厚度0.1～0.2 mm范围内，随着厚度的增加，监测点稳态温度升高，在厚度0.2～1.6 mm范围内，随着厚度的增加，监测点稳态温度降低。

弹簧帽的壁厚尺寸越大，相同的变形产生的弹性力就越大；同一壁厚尺寸的弹簧帽结构，施加的变形力越大，芯片与弹簧帽的接触面积就越大，热阻越小，导热性越好。由于卫星发射时的冲击震动易造成芯片管脚的断裂，所以需要尽量减小弹簧帽施加给芯片的正压力。

综合以上分析，可以选用厚度在0.1～0.2 mm的弹簧帽结构进行散热，其弹性、散热效果达到最佳。

图5 弹簧帽不同壁厚情况下的稳态温度曲线

6 结 语

本文给出了一种星载电子设备的散热结构设计方案，即弹簧帽结构，适合用于热沉面在顶面且不能承受较大正压力的芯片进行热传导散热。

通过分析对比该散热结构使用前后的稳态温度，说明了弹簧帽结构具有良好的散热效果；通过分析对比不同壁厚散热帽结构的稳态温度，给出既能保证散热效果又能控制弹性力的弹簧帽壁厚范围为1～1.5 mm。

目前，该散热结构方案已在卫星电子设备中得到实际应用，取得了预期效果。

参考文献

［1］吕俊霞.电子设备的散热及防热设计［J］.CAD&CAM，2006(10):34-37.

［2］丁小东.电子设备的热设计［J］.环境技术，2001(3):21-23.

［3］梁斌，方伟，田静，等.电子设备结构优化设计支撑软件技术［J］.电讯技术，2007，47（2）:189-193.

［4］田沣，任康，焦超锋,等.一种高密度电子模块的热设计［J］.航空计算技术，2004，34（1）:116-118.

［5］鲜飞.芯片封装技术的发展趋势［J］.印制电路信息，2006（2）:67-70.

［6］鲜飞.芯片封装技术介绍［J］.半导体技术，2004，29（8）:49-52.

［7］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［8］朱金彪.一种星载电子设备散热结构的设计与优化\.电子机械工程,2008（4）：11-13.

作者简介 朱金彪 男，1977年出生，工程师。主要从事雷达机电结构设计、热设计工作。

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