使用银烧结提高功率半导体的导热系数

简介

虽然电子器件带来的功能似乎没有止境，但是数字和模拟器件的集成器件制造商（IDM）仍然不得不在所用材料的物理限制内设计解决方案。由于半导体发展大趋势和终端市场带来的需求，随着时间推移，管理产品的热密度变得越来越重要。

一般而言，热管理管理的是二极管和晶体管的半导体结产生的热量。在高度集成的数字器件中，每两年，晶体管数量大约就会翻一番，而成本保持不变，这符合摩尔定律。功率密度是促使集成器件制造商开发高度集成的数字器件的主要推动力，而众所周知，它长期以来一直是一个限制因素。

问题在于，随着体积缩小，芯片设计师可以将更多器件放入给定面积中，或者使用相同数量的器件但让晶粒体积更小。集成器件制造商承受着以相同（或更低）价格提供更多功能的市场压力，而不是以更低价格提供相同功能的压力，这意味着它们倾向于添加更多晶体管，而不是降低晶粒体积和成本。这是因为，相对而言，硅较便宜。

对于主要生产模拟器件，尤其是功率晶体管的制造商而言，器件内的栅极/晶体管数量远不那么重要。重要的因素是在给定晶粒体积中器件能够处理的功率量。虽然人们通常认为“越小越好”，但是在集成功率器件方面，晶粒体积主要由额定功率决定，因此晶粒体积降低存在实际限制。

挑战这一限制可能导致可靠性降低，这是由功率开关器件周期的不利影响造成的。位于这个问题中心的就是半导体结（从位置上看，也位于中心）的温度。

芯片级的热阻

【图1：表面安装半导体器件的实体模型，(a) 3D模型，其基本封装组件焊接到绝缘金属基片（IMS）上，(b) ANSYS 中的热模型，表明热量从半导体芯片散逸到外部环境中】

【表1：材料属性表和根据图2计算得到的R_θJC】

晶粒的体积会直接影响结产生的热量和所需的散热速度。从这方面看，体积越大越好。晶粒越大，热量在离开结时可经过的表面积就越大。然而，推动数字器件的集成器件制造商发展的市场力量也存在于模拟和功率半导体领域，工程师想要更小的晶粒，因为这意味着性能更高，成本更低。

什么是银烧结？

在经过结和晶粒后，热量散逸时遇到的下一个热屏障是晶粒与封装的连接点。行业标准做法是在接触点进行焊接。大部分情况下，焊接都是一个好办法。它易于采用，较为便宜且较为可靠。该连接处的导热系数需要考虑材料的量，而不仅仅是厚度，而且不同材料会有不同厚度。材料量将主导该连接处的导热系数，因为热量会朝着所有方向散逸，但是根据遇到的热阻，散热速度会有所不同。铅合金焊接方法的一个替代方案是使用能够烧结的焊膏。焊膏材料的导热系数往往高得多，而且常常可以用于更薄的层。银是很好的示例，银烧结层的导热系数可以达到1.4-2 W/cm/°C左右。与导热系数仅为0.25 W/cm/°C的铅焊相比，银烧结更好。

SiC基片比硅基片更小更薄。将SiC基片与烧结银（作为基片与框架的连接处）结合使用时，得到的R_θJC值与其他功率半导体相当，但是却能拥有SiC基片的优势。这些优势包括更高的开关速度和更高的效率，从而带来更高的热密度，进而得到更小的最终产品。

在功率半导体的晶粒面积相当小（这是SiC器件的常规特性）的情况下，较小的晶粒体积能有效促使采用银烧结技术代替铅基焊料。烧结银带来的较高导热系数能确保器件仍在安全运行范围内运行，同时将结温维持在更高运行温度以下，即使在从晶粒开始的散热路径变小很多的情况下也是如此。

这些高性能的热管理系统非常昂贵，但是在某些应用中十分必要。如果功率半导体成为实际上的限制性因素，就很可能无法实现上述系统的低成本和复杂性，当然，如果在系统层面更高效地处理热量，则可以实现。

因而，可以实现此处所述的低结壳热阻的功率开关器件能更好地支持这些高性能应用。

结语

银烧结就是这种情况。在功率半导体中，尤其是在基于碳化硅等宽带隙材料的功率半导体中，采用银烧结会直接影响这些器件能带给最终应用的实际价值。

虽然大部分功率半导体目前不采用银烧结技术，但是UnitedSiC预计这种情况会发生变化。由于它为组件级和系统集成方面带来的优势，采用银烧结正在成为所有产品的标准做法。

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