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深低温大功率电阻阵列封装结构研究.docx
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2023-02-23
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深低温大功率电阻阵列封装结构研究.docx
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0. 引 言
电阻阵列器件作为最成熟的动态红外景象生成器,因其能够在实验室中对各种红外探
测系统的实时性能进行测试与评估,大幅降低外场实验成本,已获得广泛应用
[1-4]
。为了实
现红外探测器深空探测等低温背景需求的性能测试与评估,往往要求电阻阵列芯片正常工
作时背景温度低于 130 K。针对电阻阵列器件的制冷封装,近室温器件一般采用大功率制
冷机
[5-6]
进行冷却,而深低温器件多采用集成于封装结构的液冷装置
[7-8]
进行冷却。液冷装置
冷却具有冷量大、无振动、温度稳定等优点,常用的制冷工质有甲烷、液氮、液氧、液氩
等。大面阵芯片
[9]
和大功率负载
[10]
的封装结构设计中还必须考虑相应零部件的热应力
[11]
,
以避免工作过程中热应力导致的结构失效。随着红外动态仿真要求的提高,电阻阵列器件
的发展向着像元小型化
[12]
、阵列规模增大
[13-14]
、整体功率提升
[15-16]
等方向发展,随之带来的
问题是发热增大
[17]
,典型功率已经超过一百瓦,瞬时功率达到数百瓦,功率密度提升显
著,这对封装结构的低温散热能力与热可靠性提出了较高的要求。
针对以上问题,文中设计了利用液氮进行快速冷却的电阻阵列封装结构,对封装结构
中关键零件参数的选取进行了讨论。针对电阻阵列封装结构的传热进行分析,并与实验结
果进行对比。最后,对比分析实验与仿真分析的结果,分析仿真误差来源,提供仿真分析
模型的改进方向。
1. 封装结构设计与选材
1.1 芯片结构
封装对象为 512×512 的微桥结构电阻阵列,芯片尺寸为 30 mm×30 mm×1.5 mm,正常
工作功率为 100 W。其模块结构简图如图 1 所示,上层为发热层,下层为衬底层,材质均
为硅,芯片通过环氧树脂低温胶与陶瓷电极板和金属热沉进行胶接。根据芯片实际使用需
求,要求正常工况下芯片衬底最大热应力小于 10 MPa,金属热沉和陶瓷电极板最大热应力
小于 50 MPa。
图 1 封装模块简化模型示意图
Fig. 1 Schematic diagram of simplified model of package module
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.2 热设计与热应力仿真方法
将电阻阵列芯片、陶瓷电极板与金属热沉组成的系统简化为有均匀内热源的一维稳态
导热模型,以便研究热沉厚度对系统温度分布的影响。按照傅里叶定律,热平衡状态下的
硅衬底、陶瓷、环氧树脂胶层和金属热沉各层的热流密度与温度关系可表示为:
q=λ(Tup−Tdown)δq=λ(Tup−Tdown)δ
(1)
式中:q 为热流密度(W·m
−2
);λ 为各介质的导热系数(W·m
−1
·K
−1
);T
up
和 T
down
分
别为各层上下表面温度(K);δ 为各层的厚度(m)。
芯片发热层上表面温度如下:
T = φ2λδ2 + TSi - subT = φ2λδ2 + TSi - sub
(2)
式中:T 为芯片发热层上表面温度(K);φ 为芯片加热片的生成热(W/m
3
);T
Si-sub
为芯片硅衬底上表面温度。
以上一维传热模型为独立绝热系统,其边界条件如下:热沉下表面温度恒定,为 80
K;芯片发热层为均匀内热源,总发热功率为 100 W。
对于因温度梯度产生的热膨胀受到约束而产生的热应力,满足如下方程:
σ=Eα(T−Tref)σ=Eα(T−Tref)
(3)
式中:σ 为热应力;E 为弹性模量;α 为热膨胀系数;T 为温度;T
ref
为参考温度。
需要指出的是,简化的一维换热模型将转化为接近实物的三维模型进行热仿真与应力
仿真分析。文中使用商用软件 ANSYS 对三维换热模型进行仿真。封装结构的传热可视作
常物性、无内热源的三维稳态传热。
根据傅里叶定律,常物性、无内热源、稳态情况下三维热传导微分方程如下:
∂2T∂x2 + ∂2T∂y2 + ∂2T∂z2 = 0∂2T∂x2 + ∂2T∂y2 + ∂2T∂z2 = 0
(4)
1.3 封装结构温度分布验证
大功率电阻阵列的温控是该装置的关键指标,为验证散热能力,设计的电阻阵列封装
结构如图 2 所示,主要包括真空腔体、制冷系统与电阻阵列芯片三部分。需要说明的是,
验证实验中采用陶瓷加热片代替电阻阵芯片作为热源,非均匀加热的陶瓷加热片造成封装
结构内部温度分布不均,结果与电阻阵列芯片正常工作时有一定的相似性。真空腔体由封
装结构外壳、管帽和热沉底座组成,均采用 304 L 通过机加工成型,通过外接真空泵保证
腔体内处于高真空状态(<10
−3
Pa),为电阻阵列的深低温工作提供可能。
图 2 电阻阵封装结构(a)、测温点设置(b)与陶瓷加热片结构(c)示意图
Fig. 2 Schematic diagram of (a) resistor array package structure, (b) distribution of temperature
measurement points and (c) Ceramic heater structure
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