自然散热元器件陶瓷金属外壳热设计

许家瑞

摘要：自然散热的电子产品外壳设计中，选用耐温高、内部热阻低的芯片，选用热导率高的金属做外壳，增大外壳有效散热面积，增强表面辐射强度，选用热导率高、厚度薄的导热材料做介质，设计合理的接触面，能有效避免产品过热问题。

关键词：自然散热；外壳设计；复合材料

随着现代社会的发展，电子设备已经在人们的生产生活以及国防装备当中得到普遍应用。特别是在一些关键或核心领域，即使是一个小的电子元器件出现问题，都极易可能造成极大的危害。特别是近些年随着硅集成电路的普遍应用，电路的集成得到了成倍的增加，因此各电子元器件或芯片的热量也得到了相应的增加。同时在电子产品小型化，高功率的背景下，电子元器件或电子设备的散热问题就成为了保障设备安全可靠的关键性问题。因此对于现代电子元器件或电子设备若想保持安全可靠性就需要采取科学合理的热设计。

1 挑战和机遇

DOCSIS模块是配合DOCSIS网络而产生的新模块，是代替现有HMS应答器的产品。该模块普遍应用于CATV传输网络的光站和放大器设备中，这些设备基本都是野外型或是室外型。由于HMS模块已经应用在诸多的光站和放大器平台中，因此，DOCSIS模块的外形尺寸和连接器位置都不能改变。但由于DOCSIS模块功能的极大提升、新的集成芯片的使用，模块的功耗有成倍的增长。在有限的空间范围内，模块热设计遇到了极大的挑战。近十年，新型高散热材料如复合材料、弥散铝铜、氮化铝等的加工技术有较快的发展，导热材料的热导率有很大的提升，有限元热设计分析工具更是被广泛应用，这给外壳热设计提供了强有力的技术支持。

2. 大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素

2.1.大功率电子元器件及设备结构的传热方式

大功率电子元器件及设备结构的传热方式有三种，即导热、对流和辐射。其中导热基本是由气体分子不规则运动时相互碰撞，金属自由电子的运动，非导电固体晶格结构的振动以及液体弹性波产生的。对流则是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程称为对流。辐射主要为电磁波一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑，其辐射传热系数为：hr=εσF1，2（T12+T22）（T1+T2），本文中不进行详细讨论。

2.2 大功率电子元器件结温

从广义上将元器件的有源区称为“结”，而将元器件的有源区温度称为“结温”。元器件的有源区可以是结型器件的PN结区，场效应器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等，默认为芯片上的最高温度。大功率电子元器件的最高结温，对于硅器件塑料封装为125～150℃，金属封装为150～200℃。对于锗器件为70～90℃当结温较高时（如大于50℃），结温每降低40～50℃，元器件寿命可提高约一个数量级。所以对于航空航天和军事领域应用的元器件，由于有特别长寿命或低维护性要求，并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于60℃。

2..3大功率电子元器件的热环境

元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量，而不包括辐射换热和导热。热环境按下列条件设定，冷却剂的种类、温度、压力和速度；设备的表面温度、性质和黑度；电子元器件和设备周围的传热途径。

3 陶瓷基板与金属复合基板的温度比较

由于AlN基板有比较高的热传导性能，能使LED芯片产生的热量传导到金属外壳，并通过热辐射和空气对流方式散发出去，使LED芯片的热阻降低，散热效果最好，铜基板次之，最差的就是Al2O3，对于导热率比较差的Al2O3基板，优化芯片的排列就显的尤为重要。从成本来考虑，对这种功耗分配不均的问题，铜基板是一个不错的选择。结果表明：合理的配置COB芯片的分布，可以有效的减低由于芯片功耗不同所引起的芯片温度不均衡问题。从而保证COB芯片寿命的一致性，并提高其光效和寿命。

3.2 陶瓷基座的平整度

瓷体的平整度不仅对封口气密性和外引线焊接强度有直接的影响，而且对功耗型外壳的散热片焊接强度也有较大的影响。可通过以下措施加以解决：调节层压压力、设计合理的烧结曲线和相关工艺参数来保证瓷件良好的平整度。对极少数平整度不理想的瓷片，还可通过压烧的方法解决。在实际应用，散热片可以选用铜-钨-铜、铜-钼-铜这种“三明治”结构复合材料。其中铜钼铜导热率为260W/m·K，比钨一铜、钼一铜在与陶瓷件的结合强度和散热片的电镀质量方面要好得多。钎焊工艺改进集成电路陶瓷封装外壳（功耗型），金属件与陶瓷基座钎焊工艺，根据不同的银铜焊料配比，采用不同的焊接工艺。当散热片材料为钨一铜、钼一铜合金时，采用银铜（AgCu28）焊料，陶瓷与封接环、外引线、散热片一次性焊接完成，钎焊温度为785℃～815℃。

4 散热片的电镀

钨一铜或铜-钼-铜合金材料作为散热片所选材料，在电镀时很容易产生细小的针尖似小泡。这是由于它们均属于难镀金属，因此，必须控制好前工序的处理工艺、保证被镀件表面的清洁性、在带散热片陶瓷外壳的钎焊前，必须进行特殊的预处理，即在钎焊前对钨铜或铜钼铜合金材料散热片先镀上一层镍，再进行钎焊，以减少电镀起泡的几率同时对镀液加强监控和维护。目前国内较有效的方式是先对散热片进行研磨、去油、酸洗等镀前处理，然后采用化学镀镍（镍硼）作为底层镍在散热片表面形成一层结合力较强的薄镍，然后再进行电镀鎳。电镀完成后，还需要在进行镍层烧结工艺：在氢氮气氛或真空中，850℃存放15分钟，增强镀层结合力。

5 钎焊工艺改进

集成电路陶瓷封装外壳（功耗型），金属件与陶瓷基座钎焊工艺，根据不同的银铜焊料配比，采用不同的焊接工艺。当散热片材料为钨一铜、铜-钼-铜复合材料时，采用银铜（Ag72Cu28）焊料，陶瓷与封接环、外引线、散热片一次性焊接完成，钎焊温度为785℃～815℃。当散热片材料为铜-钨-铜时，采用银镐焊料，其焊接工艺必须进行改进，同于常规产品。它除了严格要求钎焊炉保护气体的纯度、钎焊时间一温度曲线外，还必须严格钎焊工艺步骤，分两次装配、钎焊来完成。首先将封接环、外引线焊接好，采用Ag72Cu28。焊料，钎焊温度为785℃～815℃；再将散热片焊接好，采用银镐焊料，钎焊最高温度为710士10℃，通过钎焊工艺的优化改进，可较好地解决集成电路陶瓷封装外壳散热片焊接强度问题。

6 结语

集成电路组装密度不断增加，导致其功率密度也相应提高，集成电路单位体积发热量也有所增加。在外壳结构设计上，如果不能及时地将芯片所产生的热量散发出去，设法抑制集成电路的温升，必然对集成电路的可靠性产生极为严重的影响。因此，解决高密度陶瓷封装外壳的散热问题刻不容缓，它也是集成电路陶瓷封装外壳需要攻克的难题之一。

参考文献

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（作者单位：身份证号码：371121198903310017）