LTCC多芯片功放组件微流道设计及散热特性研究

摘要

随着集成电路加工工艺的发展，电子芯片的集成度越来越高，功率越来越大，而尺寸却越来越小，产生越来越高的热流密度难以散去。微波集成电路(MMIC)是相控阵天线必不可少芯片，目前军用功放 MMIC的热流密度已经达到500W/cm2以上，如果热量难以消散，雷达的性能和可靠性将受到严重影响。LTCC是一种优秀的多芯片RF封装材料，但是其导热率仅有2~5W/m·K，散热性能差成为制约其封装密度的主要因素之一。本文针对基于LTCC的功放MMIC组件进行微流道仿真与实验研究，研究的关键问题有五项：LTCC加工工艺与实验、LTCC基板微流道换热特性、热通孔换热特性、功放组件微流道拓扑结构设计与换热特性研究、天线子阵热变形分析。具体工作内容包括：
　　（1）介绍了LTCC封装和做基板的特点，根据LTCC一体化烧结的工艺步骤，设计本文的实验试件模型并加工成型。使用加工的LTCC试件做实验，研究LTCC微流道换热能力，并对比分析试验和仿真结果。
　　（2）研究了没有热通孔的LTCC基板微流道的各种参数对换热性能的影响，分析的参数包括基板材料热导率、流道高宽比、入口流速、水力直径、流道高度、肋壁厚度。分别对圆形、方形、长条形三种形状和尺寸的热通孔换热特性进行详细研究，对比三种热通孔散热效果的优劣，发现圆孔具有最好的散热效果。然后研究了圆孔情况下，四种微流道肋板布置方案的换热特性。重点研究了四种方案下PA芯片最高温度，进出口压降以及热窗口流固耦合面的传热系数。分析得到最佳方案四和次之方案二。
　　（3）研究了多芯片功放组件的LTCC基板微流道换热特性。首先根据LTCC的加工工艺说明LTCC基板内部流道的构建方法，设计双向平行流道和单向平行流道的流道拓扑结构。然后分别分析两种流道情况下的仿真结果，分析的参数有：平均温度最高和最低的PA芯片的最高温度、不同PA芯片的最大温差、LTCC基板最大温差、基板温度标准差、微流道进出口压降。结果表明双向平行流道可以满足热流密度为100W/cm2的16×16功放组件阵列的冷却要求。
　　（4）根据双向平行流道情况下子阵的温度场分布，分析了子阵平面的热变形和热应力，热形变量和热应力都在安全范围内。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 LTCC微流道研究现状

1.3 天线阵面功放组件冷却设计研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 流体传热基本理论与热阻网络理论计算

2.1 传热学与流体力学基本理论

2.2 单热源LTCC微流道物理模型及散热要求

2.3 LTCC微流道热阻网络理论计算

2.4 本章小结

第三章 LTCC微流道换热特性仿真研究

3.1 无热通孔LTCC微流道传热特性研究

3.2 含热通孔LTCC微流道传热特性研究

3.3 含热通孔LTCC多流道传热特性研究

3.4 本章小结

第四章 天线子阵LTCC基板微流道设计与热分析

4.1 模型建立

4.2 散热要求与边界条件

4.3 LTCC基板微流道拓扑结构设计与换热分析

4.4 天线子阵热-结构耦合分析

4.5 本章小结

第五章 LTCC微流道试件制作与实验研究

5.1 LTCC简介及特点

5.2 LTCC微流道基板制作工艺

5.3 LTCC微流道实验研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果