银烧结提高功率半导体的热导率
日期：2021-08-13
技术的进步使得半导体特征尺寸的普遍减小成为可能
作者：Anup Bhalla，工程副总裁，UnitedSiC
功率晶体管的管芯面积由其额定功率决定。对于给定的散热量，较小的散热量意味着较高的结温和潜在的可靠性降低，尤其是在功率循环的情况下。因此，减小从片芯到外壳和周围环境的热阻是关键。
芯片级的热阻
碳化硅（SiC）等技术中的功率器件片芯必须保持在安全操作区域内，并保持结温低于175°C。图1显示了典型的机械布置和热流道。
图1a和2b：表面贴装半导体器件（1a）的实体模型，封装组件焊接到绝缘金属基板上，以及（1b），ANSYS中的热模型显示了从模具到环境的热流
从片芯到环境的总热阻是路径中每种材料的单个热阻之和。一般来说，集成设备制造商（IDM）设计他们的器件具有可预测的、可再现的结-壳热阻（RθJC）。该图包括半导体基板的热阻、用于将芯片连接到封装的材料以及封装材料本身。
在基于硅衬底的功率器件中，芯片通常焊接到（通常是铜）封装上，如图2所示。
图2a、2b和3c：典型功率半导体7L D2PAK的热模型，显示了从芯片到外壳的不同温度梯度。侧断面图（2a），片芯顶部不同点的温度探测（Tj）（2b）和外壳不同点的温度探测（Tc）（2c）
表1：图2中的材料特性和计算RθJC
尽管较小的片芯动态性能更好，并且给定的晶圆尺寸可以产生更多片芯，但是较大的片芯在热量离开结时提供了更大的表面积，使得结温度更低。因此，实现最低的RθJC是至关重要，可使用较小的片芯。
银烧结降低热阻
在结和片芯之后，下一个阻碍热流的热障是片芯和封装之间的界面。行业标准是使用焊料连接，大多数情况下，这是一个很好的选择，因为它很容易工作，相对便宜，相对可靠。这个界面的热导率取决于材料的体积，而不仅仅取决于材料的厚度，因为热在各个方向上传播，而且根据它所遇到的阻力以不同的速率传播。使用铅基合金焊接的一种替代方法是使用能够烧结的焊膏。这些材料往往具有更高的热导率，通常可以应用在更薄的层。银就是一个很好的例子，烧结层的导热系数达到140-200 W/(m⋅K)。这与导热系数仅为25 W/(m⋅K)的铅基焊料相比是有利的 （表2）。
表2：银烧结和焊接工艺的热导率
银烧结原理
在功率器件中，由于高热流通过焊料连接，因此需要更加重视界面的热性能及其在不降低性能的情况下处理高温的能力。用烧结银代替焊料，因为它的热阻低得多，提高了RθJC，由于其较高的熔点，也增加了热裕度的整体设计（图3）。
图3a和3b：7L D2PAK的热模型，显示了使用Pb95.5Ag2.5Sn2.0焊料片芯连接（3a）和使用140 W/(m⋅K)银烧结片芯连接（3b）。后者可使热阻降低28%
工程师们可能还没有意识到，银烧结是功率半导体的一种选择，因此具有更好的热裕度，并增加了热管理的灵活性，但这种技术正在成为高性能器件的主流。如前所述，较小的片芯面积在性能和成本方面具有优势，但在散热方面存在劣势。选择碳化硅（SiC）器件意味着优点仍然存在，但缺点不太明显。这是半导体行业及其支持的所有垂直市场对SiC基功率半导体如此感兴趣的主要原因之一。
碳化硅基片（比硅基片更小更薄）与烧结银作为芯片连接的结合，产生的RθJC的数字表明，与其他功率半导体相当，但具有SiC的优点，包括更高的开关速度和更高的效率，导致更大的热密度，反过来就是更小和更低的成本最终产品。
并非所有IDM都需要使用烧结银
有这么明显的好处，为什么所有IDM都不使用烧结银？这主要是因为硅基功率器件，如IGBT，有大的片芯面积，因此无论如何都有良好的RθJC，烧结银提供的效益较小。如前所述，外壳和环境之间的热阻RθJA主要由PCB和系统设计决定，因此不受IDM控制，通常比结和外壳之间的热阻RθJC更重要。这对所有半导体来说都是如此，而不仅仅是功率器件。
对于具有相对较小的片芯面积（典型的SiC器件）的功率半导体，较小的片芯有效地决定了使用银烧结而不是铅基焊料。烧结银提供的更高的导热性确保了该器件仍能在其安全工作区域内工作，保持结温低于其最大工作温度，即使来自模具的热通道的面积小得多。
工程师喜欢烧结银的原因
通常，硅基功率半导体制造商不太可能改用烧结银代替焊料。然而，虽然它给SiC器件带来的好处很大程度上与它们的高性能和较小的芯片尺寸有关，但对于系统工程师来说，它实际上具有显著的优势。
首先，具有较高熔点的界面在设计中引入较大的热裕度。在硅/焊料基器件中，随着结的加热和热路径变得更为关键，焊料可能接近其熔点。这不一定会导致突然故障，但重复的电源循环会给界面带来压力并降低其性能。
更积极的是，烧结银的使用实际上可以成为更广泛的系统增益的一个因素。如上所述，外壳和环境之间的热阻RθJA，通常是总热路径中的主导数字。然而，随着更先进、更高效的散热解决方案（如高性能应用中的液体冷却）的不断发展，人们的注意力又回到了器件RθJC以获得最佳的总体系统性能（图4）。
图4a和4b：7L D2PAK功率器件的三维模型，显示焊接在绝缘金属基板上并安装在散热器（4a）上的封装，以及热模拟（4b），显示通过更有效的冷却可以实现更低的结温（Tj）
结论
了解银烧结片芯连接提供了更广泛的性能优势和价值是一个有用的见解。UnitedSiC在所有碳化硅功率半导体产品的银烧结标准制备过程中处于行业领先地位。
有兴趣了解更多信息的工程师应联系当地的UnitedSiC FAE。
www.unitedsic.com
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