微系统热阻模型研究及其应用

系统级封装(SIP)实现了高密度、高集成度封装技术,同时散热问题备受关注,热设计中芯片结温预测十分重要.本文采用有限元仿真方法,建立了一种自然对流环境下微系统热阻模型,并通过模型中热阻矩阵预测多芯片总功耗相同条件下的各芯片结温,同时利用热阻测试试验和有限元仿真方法对预测结温进行验证,结果表明热阻矩阵模型预测芯片结温与热阻测试试验和有限元仿真结果误差分别小于2%和5%.但同时发现该热阻矩阵模型的不通用性,对于总功耗变化的多芯片结温,预测结果偏差较大.通过不同总功耗下各热阻矩阵的函数关系建立拟合曲线并修正热阻矩阵模型,修正后的结环境热阻矩阵适用于不同总功率条件、各芯片不同功率条件下的芯片结温预测,预测结果与热阻测试试验中芯片结温和有限元仿真结果误差均小于5%.因此,提出的修正结环境热阻矩阵的方法可以快速且便捷地预测不同功率芯片的结温,并对器件的散热性能进行较为准确的预估.     

深低温工作甚长波面阵红外探测器封装技术

基于甚长波红外探测器对低于液氮温度工作环境的需求,提出了一种深低温工作甚长波红外探测器封装技术。通过对杜瓦组件漏热和芯片电学引出结构的优化设计,可控制芯片在30 K低温工作时整个杜瓦组件的静态热耗为0.65 W,最冷端位置的静态热耗为0.3 W,与之适配的两级脉管制冷机冷量可以满足上述热耗需求。完成了探测器组件的封装测试。结果表明,在制冷机膨胀机热端空气冷却测试条件下,探测器芯片部分可达到35 K的温度;杜瓦的外轮廓小于Φ130 mm×180 mm。该项技术成果促进了深低温工作的甚长波面阵红外探测器封装技术的发展。     

透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计

某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

延伸波长InGaAs探测器封装用二级热电制冷器性能研究

真空封装技术是延伸波长InGaAs探测器的主要封装方法之一,热电制冷器可为延伸波长InGaAs探测器焦平面提供低温环境。测试了基于真空封装技术无热负载条件下二级热电制冷器的性能,研究了二级热电制冷器在不同输入电流(功率)时冷、热端温差与热负载的关系,测试了二级热电制冷器在低温工况下的制冷性能以及二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率。结果表明,热沉温度为274 K时,冷端可以达到221.4 K并实现77.5 K的冷、热端温差;当输入电流一定时,随着热负载的增加,冷、热端温差呈线性趋势减小,且斜率随着输入电流增大而增大;二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,即制冷性能更好;当温度分别为233.1 K 和249.8 K时,表观热导率分别为11.30 W/(m·K)和8.29 W/(m·K)。     

高压倒装LED照明组件的热性能

高压(HX)倒装LED是一种新型的光源器件,在小尺寸、高功率密度发光光源领域有广泛的应用前景.设计了4种不同工作电压的高压倒装LED芯片,进行了流片验证,并对其进行了免封装芯片(PFC)结构的封装实验,在其基础上研制出一种基于高压倒装芯片的PFC-LED照明组件.建立了9V高压倒装LED芯片、PFC封装器件及照明组件的模型,利用流体力学分析软件进行了热学模拟和优化设计;利用T3Ster热阻测试分析仪进行了热阻测试,验证了设计的可行性.结果表明,基于9V高压倒装LED芯片的PFC封装器件的热阻约为0.342 K/W,远小于普通正装LED器件的热阻.实验结果为基于高压倒装LED芯片的封装及应用提供了热学设计依据.     

新型辐射桥结构VCSEL的设计、制作和热特性分析

为了改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性,提高器件的输出功率,设计并制作了一种新型辐射桥结构VCSEL。利用有限元热分析软件ANSYS,模拟了常规结构和辐射桥结构VCSEL内部的热场分布和热矢量分布。经模拟得到,常规结构器件的热阻为4.13K/W,辐射桥结构的热阻为2.64K/W。而经实验测得,常规结构器件的热阻为4.40K/W,辐射桥结构器件的热阻为2.93K/W,实验测试结果与模拟结果吻合较好。同时测得,常规结构器件的最大输出功率为305mW,辐射桥结构器件的最大输出功率为430mW,后者的输出功率提高了40%。     

多芯片组件热阻技术研究

在传统单芯片封装热阻定义的基础上,针对多芯片组件(MCM)传统热阻表示方法的不足,基于线性叠加原理,采用有限元模拟技术,提出了MCM的结到壳的热阻表示方法——热阻矩阵,并利用有限元模拟方法对热阻矩阵进行了验证。结果表明,采用热阻矩阵方法预测器件结温的误差小于2%。     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

空间太阳望远镜热设计

针对空间太阳望远镜工作时间长、工作环境苛刻的热特点，在极端工况条件下对空间太阳望远镜本体框架和导行镜进行热设计。通过在高低温工况下进行有限元仿真分析与热平衡试验，对本体框架和导行镜热分析与热平衡试验结果进行了对比，其温度均控制在22 ℃，并且同一工况下各组件的温度波动均小于1 ℃，验证了热设计的正确性。同时本体框架与导行镜有限元仿真与热平衡试验在高温工况下的功耗差为1.2 W，低温工况下的功耗差为0.8 W，仿真分析和热平衡试验吻合，分析正确有效，保证了望远镜在复杂工作条件下的正常工作，为提高空间太阳望远镜本体模块与对日追踪光学系统的可靠性与热设计优化提供了理论依据。     

热温差型微流量传感器的温度补偿方法研究

热温差型微流量传感器的性能受多个因素的影响,如环境温度的变化、供电电源的波动、加热电阻的冷却和导线电阻的引入等。通过ANSYS软件对环境温度及加热电阻温度的改变进行了有限元仿真,发现当两者的温度差值为恒定值时,传感器的输出信号偏差较小。从环境温度与加热电阻温度差值恒定的思路出发,结合目前补偿方法存在的不足——导线引入误差、环境温度检测电阻的自热效应使其检测出错误的环境温度、加热电阻受被测流体冷却后使测量发生偏差以及供电电源波动的影响等,提出了一种可行的补偿方案,包括对前端信号采集电路的优化和后续单片机电路的设计,使影响流量传感器测量性能的诸多因素被削弱,且控制也更灵活。通过分析验证,在相同测试条件下,所提出的方法比常用补偿方法的测试精度高出约1.2%,误差为0.2%。     

Thermal analysis of high power LED package with heat pipe heat sink

The goal of this study is to improve the thermal characteristics of high power LED (light-emitting diode) package using a flat heat pipe (FHP). The heat-release characteristics of high power LED package are analyzed and a novel flat heat pipe (FHP) cooling device for high power LED is developed. The thermal capabilities, including startup performance, temperature uniformity and thermal resistance of high power LED package with flat heat pipe heat sink have been investigated experimentally. The obtained results indicate that the junction temperature of LED is about 52 °C for the input power of 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W. The impact of the different filling rates and inclination angles of the heat pipe to the heat transfer performance of the heat pipe should be evaluated before such a structure of heat pipe cooling system is used to cool high power LED system.     

Thermal Resistance Measurement of LED Package with Multichips

Thermal transient measurements of high power GaN-based light-emitting diodes (LEDs) with multichip designs are presented and discussed in the paper. Once transient cooling curve was obtained, the structure function theory was applied to determine the thermal resistance of packages. The total thermal resistance from junction to ambient considering optical power is 19.87 K/W, 10.78 K/W, 6.77 K/W for the one-chip, two-chip and four-chip packages, respectively. The contribution of each component to the total thermal resistance of the package can be determined from the cumulative structure function and differential structure function. The total thermal resistance of multichip packages is found to decrease with the number of chips due to parallel heat dissipation. However, the effect of the number of chips on thermal resistance of package strongly depends on the ratio of partial thermal resistance of chip and that of slug. Therefore, an important thermal design rule for packaging of high power multichip LEDs has been analogized.     

DC-18GHz微波功率薄膜电阻器的设计及制作

设计并仿真了频率范围为DC-18GHz,功率负载为20W的微波功率薄膜电阻器,根据仿真结果,采用反应磁控溅射法制备了TaN微波功率薄膜电阻器。仿真结果表明,所设计的薄膜电阻器在DC-18GHz频率范围内,电压驻波比均小于1.2,加载20W微波功率时,薄膜电阻器表面的最高温度为108℃。实验结果表明,所制备的TaN薄膜电阻器在DC-18GHz频率范围内,电压驻波比小于1.25;加载20W直流功率96小时,电阻器的阻值变化小于2%,表面最高温度为105℃;在25-125℃温度范围内电阻器的温度电阻系数为-40ppm/℃。     

一种解决HBT功率器件热失控的新方法

提出了一种具有强耦合作用的新型镇流电阻器网络,该镇流电阻器网络为树形拓扑结构,对其工作原理进行了详细分析.基于COMSOL MULTIPHYSICS软件的仿真结果表明:该镇流电阻器网络具有自适应功能,通过其耦合作用可以自动调整HBT并联阵列中晶体管的电流,使高温HBT的热量向低温HBT传递,获得更为均匀的温度分布,较好...     

应用于大功率LED器件的回路热管散热研究

为解决大功率LED的散热问题,提出一种应用于大功率LED散热的微型回路热管,研究了充液率和倾斜角度对热管冷却大功率LED的启动性能、结温和热阻等特性的影响.研究结果表明:热管的最佳充液率为60％,系统的总热阻为7.5 K/W,此时对应的热管的热阻为1.6 K/W;热管的启动时间约为6.5 min,LED的结点温度被控制在42℃以下,很好地满足了大功率LED的结温稳定性要求.     

半导体功率发光二极管温升和热阻的测量及研究

通过电学测量方法得到了半导体功率发光二极管温升与热阻的加热响应曲线.曲线出现一个或多个台阶,反映了其内部的热阻构成与器件物理结构.同时采用遮光法对器件温升及热阻进行了修正.还应用瞬态加热响应原理对功率管的封装结构进行了监测.     

高散热性能TGV转接板

随着玻璃通孔(TGV)转接板在微波系统集成中的应用越来越广泛,其微波大功率应用情况下的散热性能成为研究重点。针对TGV转接板高效散热性能的要求,进行TGV散热结构的设计和性能分析。建立TGV转接板封装集成结构的有限元模型,设计TGV转接板铜柱阵列散热结构。通过TGV工艺制作TGV高密度阵列。在4.82~14.47 W功率范围内对TGV转接板的散热性能进行测试,相应的TGV散热结构区域的热流密度为40.03~120.18 W/cm²,测得热阻芯片表面温度高达54.0~126.5℃,低于微波功率芯片最高结温150℃,可以满足大功率微波系统集成高效散热的需求。