【摘 要】
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随着微电子制造工艺的不断提高,芯片向着高集成、高性能、多功能等方向发展,由此带来的芯片发热问题成为制约芯片制造技术发展的瓶颈。对芯片进行有效热管理是芯片向更高集成、更快频率发展和更加可靠、更长寿命工作的重要保证。芯片的热管理主要包括芯片热监测技术和芯片散热技术。目前对芯片的热监测主要集中于芯片的温度,而热流密度作为可以表征热量传递快慢和方向的物理量却很少被监测。然而,可用于芯片热监测的热流密度传感
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随着微电子制造工艺的不断提高,芯片向着高集成、高性能、多功能等方向发展,由此带来的芯片发热问题成为制约芯片制造技术发展的瓶颈。对芯片进行有效热管理是芯片向更高集成、更快频率发展和更加可靠、更长寿命工作的重要保证。芯片的热管理主要包括芯片热监测技术和芯片散热技术。目前对芯片的热监测主要集中于芯片的温度,而热流密度作为可以表征热量传递快慢和方向的物理量却很少被监测。然而,可用于芯片热监测的热流密度传感器（Heat flux sensor,HFS）存在嵌入性较差和对芯片散热影响较大等缺点,不利于芯片热流密度的监测。针对上述问题,本文提出并实现了用于芯片热监测的基于印制电路板（Printed circuit board,PCB）工艺的热电堆型HFS。本文的研究工作和研究成果主要包括:（1）提出并研究了用于板上芯片等电子器件热监测的基于PCB工艺的热电堆型HFS的工作原理及结构。建立了铜导线镀镍结构热电堆的温差测量等效电路模型。在此基础上,建立了HFS的静态特性数学模型。分别建立了恒温和自然对流两种散热边界下的HFS的一维瞬态传热模型,并通过数值仿真分析了影响HFS动态特性的边界条件和尺寸参数。为了提高HFS的动态性能,引入了基于PCB工艺的微流道热沉（Microchannel Heat Sink,MCHS）作为恒温散热面。（2）采用有限元法研究了热-电耦合物理场下,FR4热阻层厚度、过孔距离及镀镍层厚度对HFS静态特性的影响,并对上述三个参数进行了数值仿真分析。通过有限元共轭传热仿真研究了MCHS中入液口流体流速HFS响应时间和工作时温升情况的影响。（3）研究了HFS和MCHS制备及其集成的PCB加工工艺。采用标准的PCB工艺（包含电镀镍工艺和铣加工工艺）完成了对HFS和MCHS的制备与集成。（4）测试并分析了所提出的基于PCB工艺的HFS的静、动态特性。分析了一维热流密度产生原理并搭建了测试HFS的实验装置,对三个不同的HFS静态特性进行了实验与分析。搭建了小型发热系统,研究了HFS实际工况下对热源传递至其基板的热流密度和热功率的测量。实验结果表明,所提出的HFS具有较高的灵敏度和较好的测量重复性,MCHS的引入使得HFS的响应时间缩短了30%。本文的研究推动了板上芯片热流密度监测技术的发展,为实现板上热管理提供了新的思路与参考。
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