提高功率半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)-燒結(jié)銀技術(shù)
作者：偉邦材料 發(fā)布時(shí)間：2021-10-14 11:06 瀏覽次數(shù) :
什么是燒結(jié)銀
經(jīng)過(guò)結(jié)和晶粒后，熱量散逸時(shí)遇到的下一個(gè)熱屏障是晶粒與封裝的連接點(diǎn)。行業(yè)主要做法是在接觸點(diǎn)焊接。在大多數(shù)情況下，焊接是一種好方法。它使用方便，便宜且更可靠。連接處的導(dǎo)熱系數(shù)需要進(jìn)行考慮材料的量，而不僅僅是厚度，而且對(duì)于不材料會(huì)有不同厚度。材料量將主導(dǎo)連接的導(dǎo)熱性，因?yàn)闊崃繒?huì)向各個(gè)方向逸出，但散熱速度會(huì)根據(jù)遇到的熱阻而變化鉛合金焊接方法一種替代方案是使用能燒結(jié)的焊膏。焊膏材料的導(dǎo)熱系數(shù)往往高得多，并且可以經(jīng)常用于更薄的層。銀就是一個(gè)很好的例子，銀燒結(jié)層的熱導(dǎo)率可以達(dá)到1.4-2 Wcm\°C左右。與導(dǎo)熱性能系數(shù)分析僅為0.25 W/cm/°C的鉛焊相比，銀燒結(jié)可以更好。
器件制造商為什么采用燒結(jié)銀技術(shù)
在功率器件中，由于焊接熱流很大，因此有必要重視晶粒與框架的連接及其熱性能，能夠在不降低性能的情況下管理高溫。銀燒結(jié)的熱阻遠(yuǎn)低于焊料，因此用銀燒結(jié)代替焊料可以提高rθJC，由于銀的高熔點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)的熱裕度也得到了提高。在功率器件中工程師通常不會(huì)考功率半導(dǎo)體內(nèi)置更高的熱裕度，主要是因?yàn)樗麄冎钡阶罱拍苓x擇基于銀燒結(jié)的器件設(shè)計(jì)。現(xiàn)在這些已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，工程師們就可以針對(duì)如何解決熱管理問(wèn)題制定更明智的決策了。朝著更小晶粒面積的方向發(fā)展可以針對(duì)性能和成本以及散熱方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)不利。選擇碳化硅(sic)作為半導(dǎo)體基片的器件意味著這些優(yōu)勢(shì)仍會(huì)存在，而劣勢(shì)則會(huì)削
弱這就是半導(dǎo)體行業(yè)及其支持的所有垂直市場(chǎng)對(duì)SiC功率半導(dǎo)體如此感興趣的主要原因之一。
SiC基片比硅基片具有更小更薄。將SiC基片與燒結(jié)銀（作為基片與框架的連接處）結(jié)合使用時(shí)，得到的RθJC值與其他功率半導(dǎo)體相當(dāng)，但它具有sic基板的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)包括更高的切換速度和更高的效率，從而帶來(lái)更高的熱密度，進(jìn)而得到更小的最終產(chǎn)品。并非所有集成器件制造商都需要通過(guò)使用銀燒結(jié)，由于銀燒結(jié)的明顯優(yōu)點(diǎn)，似乎有理由期望所有集成設(shè)備制造商將使用它。制造商不使用,至少現(xiàn)在不使用銀燒結(jié)的主要原因是IGBT等基于硅的功率器件需要具有不小的晶粒面積，因此晶
粒和引腳框架之間自然有非常好的導(dǎo)熱系數(shù)。在這種情況下使用銀燒結(jié)能帶來(lái)的回報(bào)較小。事實(shí)上，正如之前提到的，殼與周?chē)g的熱阻RθJA很大程度上是由電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定的，因
此不受集成器件制造商控制，它通常比結(jié)殼之間的熱阻RθJC大得多。這點(diǎn)不僅對(duì)功率器件成立，對(duì)所有半導(dǎo)體皆成立。在功率半導(dǎo)體的晶粒分布面積已經(jīng)相當(dāng)小（這是SiC器件的常規(guī)工作特性）的情況下，較小的晶粒結(jié)構(gòu)體積能有效推廣銀燒結(jié)技術(shù)代替鉛基焊料。銀燒結(jié)所帶來(lái)的高導(dǎo)熱性可以保證器件仍在安全工作范圍內(nèi)同時(shí)，結(jié)點(diǎn)溫度保持在最高工作溫度以下，即使從晶粒開(kāi)始的冷卻路徑要小得多
為什么工程師喜歡燒結(jié)銀？
大部分工作情況下，硅基功率半導(dǎo)體的制造商都不太可能使用銀燒結(jié)代替焊料，不過(guò)雖然銀燒結(jié)能給SiC器件帶來(lái)優(yōu)勢(shì)很大程度上是因?yàn)镾iC器件的較高性能和較小晶粒體積，但是通常，它確實(shí)能帶來(lái)顯著的工程優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)工程師可以采用以下方式利用這些優(yōu)勢(shì)。
首先，采用不同熔點(diǎn)更高的連接點(diǎn)可為設(shè)計(jì)帶來(lái)一個(gè)更高的熱裕度。隨著結(jié)的熱量增加，且硅器件/基于焊料器件中熱路的限制作用變得更加明顯，焊料的溫度可能接近焊料的熔點(diǎn)。這不會(huì)導(dǎo)致突然故障，但是重復(fù)的功率周期可能會(huì)使連接處的性能下降，這意味著該處最終會(huì)壓力過(guò)大，并成為一個(gè)弱點(diǎn)。或許情況比預(yù)期更樂(lè)觀，燒結(jié)銀的使用實(shí)際上可以帶來(lái)更大的系統(tǒng)增益。在計(jì)算總熱量阻時(shí)，結(jié)與周?chē)g的熱阻RθJA是典型的主要因素影響值。然而，不斷創(chuàng)新發(fā)展的更精細(xì)和高效的冷卻解決方案，如高性能應(yīng)用的液冷，使 r θjc成為一個(gè)主要因素。這些高性能的熱管理系統(tǒng)較為昂貴，但是在某些應(yīng)用中十分必要。如果功率半導(dǎo)體發(fā)展成為實(shí)際上的限制性因素，就很可能導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的低成本和復(fù)雜性，當(dāng)然，如果在系統(tǒng)層面更高效地處理熱量，則可以實(shí)現(xiàn)。
