Page 211 - 《应用声学》2024年第6期
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第 43 卷 第 6 期 黄庆云等： 声表面波器件在大功率作用下的热效应 1387
3.3 热封装对器件表面热分布的影响 IDT 孔径范围内，边界反射效应导致整个器件温度
上述仿真与实验揭示了器件在大功率作用下 分布极不均匀。然而，采用玻璃料银浆作为压电基
的热分布。事实上，器件在大功率作用下的驱动常 板与铝散热器之间的黏合剂，由于快速散热使器件
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应用于微流体喷射与雾化中，必要的散热封装是必 表面分布均匀，在t = 50 s时最高温度不超过79 C，
不可少的。SAW 器件的驱动能力随着所施加射频 虚线框内温度与两侧基本相同。在t = 120 s 时，表
◦
信号功率的增大而增大，相应的器件表面温度也急 面温度仅达到90 C，热量通过玻璃料银浆快速引入
◦
剧升高，这将对 SAW 驱动器的性能产生破坏性影 到散热片散发，表面的温度最高梯度差仅为 15 C。
响。特别是在这种大功率作用下的微流体雾化过 这对于 SAW 器件表面的热均匀性更好，降低了开
程中，SAW 器件的故障率异常高，主要表现为断裂 裂的风险。在 10.49 W 的射频输入功率下，可实现
和电火花现象。采用封装与未封装的器件做对比 连续工作 1 h 以上不开裂。如果没有稳定可靠的工
作装置，大功率 SAW 微流体驱动应用 (如喷射和雾
实验，封装材料采用玻璃料银浆作为夹层材料黏合
器件与铝制散热片，相关的加工工艺方法可以参考 化)将面临重大挑战。
文献 [8]。图 8 显示封装与未封装 SAW 器件的电极
4 结论
表面温度变化，可以看到，在不采取任何散热步骤，
在输入射频信号功率为 10.49 W (+40.21 dBm) 的 本文探讨了 SAW 的损耗机制和传递特性，分
情况下，虚线框内的区域为 SAW 的传播路径，声 析了 SAW 自热效应的数学模型，构建了多物理场
波损耗转化的热量主要集中在该区域，器件边缘 有限元二维压电传热仿真模型，通过仿真与实验验
的亮白色区域则是声波反射引起的温度急剧上升。 证揭示 SAW 器件热效应的来源，在大功率输入作
当 t = 50 s 时，未封装的器件虚线框表面温度超过 用下，相比于厚度方向上温度梯度，孔径方向与两
113 C，在 SAW 传播路径上，明显的光带是热量的 侧区域存在的较大的温度梯度差是导致器件裂片
◦
堆积造成的。裸 SAW 器件在工作不到 60 s 的时间 失效的主要原因。此外，器件的热量产生主要来源
内就发生了开裂现象，这是由于高速振动限制在 于 IDT 中的介电损耗，随着输入电势增加，器件温
度显著升高。这解释了阻碍 SAW 器件在微流控中
应用的根本原因。特别对于大功率驱动作用下的喷
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࠰ᜉՑᄊܦ᛫᭧ฉ٨͈ 射与雾化的应用，采用封装与未封装的器件做对比
实验，结果表明，在不采取任何散热步骤，在输入射
频信号功率为10.49 W (+40.21 dBm)的情况下，未
ພए/C 封装的器件虚线框表面温度超过 113 C，在工作不
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到 60 s 的时间内就发生了开裂现象，而封装后器件
由于快速散热使器件表面分布均匀，在t = 120 s时，
表面温度仅达到 90 C，表面温度最高梯度差仅为
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◦
15 C，可实现连续1 h工作以上不开裂，通过对比验
ᫎ/s 证进一步阐述大功率作用下器件裂片失效的主要
原因，良好的封装可以有效解决器件裂片失效问题。
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因此，本研究为大功率 SAW 微流体驱动应用 (如喷
射和雾化)提供了技术支撑和理论支持。
参 考 文 献
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[1] 杨旭豪, 刘国君, 赵天, 等. 声表面波技术在微流控研究领域
图 8 裸器件与封装后器件的温度变化
中的应用 [J]. 微纳电子技术, 2014, 51(7): 438–446.
Fig. 8 Temperature changes test results of bare Yang Xuhao, Liu Guojun, Zhao Tian, et al. Applications
device and packaged device of surface acoustic wave technology in the microfluidic
