提高功率半导体的导热系数-烧结银技术

什么是烧结银

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。行业主要做法是在接触点焊接。在大多数情况下，焊接是一种好方法。它使用方便，便宜且更可靠。连接处的导热系数需要进行考虑材料的量，而不仅仅是厚度，而且对于不材料会有不同厚度。材料量将主导连接的导热性，因为热量会向各个方向逸出，但散热速度会根据遇到的热阻而变化铅合金焊接方法一种替代方案是使用能烧结的焊膏。焊膏材料的导热系数往往高得多，并且可以经常用于更薄的层。银就是一个很好的例子，银烧结层的热导率可以达到1.4-2 Wcm\°C左右。与导热性能系数分析仅为0.25 W/cm/°C的铅焊相比，银烧结可以更好。

器件制造商为什么采用烧结银技术

在功率器件中，由于焊接热流很大，因此有必要重视晶粒与框架的连接及其热性能，能够在不降低性能的情况下管理高温。银烧结的热阻远低于焊料，因此用银烧结代替焊料可以提高rθJC，由于银的高熔点，整个设计的热裕度也得到了提高。在功率器件中工程师通常不会考功率半导体内置更高的热裕度，主要是因为他们直到最近才能选择基于银烧结的器件设计。现在这些已经出现在市场上，工程师们就可以针对如何解决热管理问题制定更明智的决策了。朝着更小晶粒面积的方向发展可以针对性能和成本以及散热方面带来优势不利。选择碳化硅(sic)作为半导体基片的器件意味着这些优势仍会存在，而劣势则会削

弱这就是半导体行业及其支持的所有垂直市场对SiC功率半导体如此感兴趣的主要原因之一。

 

SiC基片比硅基片具有更小更薄。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RθJC值与其他功率半导体相当，但它具有sic基板的优势。这些优点包括更高的切换速度和更高的效率，从而带来更高的热密度，进而得到更小的最终产品。并非所有集成器件制造商都需要通过使用银烧结，由于银烧结的明显优点，似乎有理由期望所有集成设备制造商将使用它。制造商不使用,至少现在不使用银烧结的主要原因是IGBT等基于硅的功率器件需要具有不小的晶粒面积，因此晶

粒和引脚框架之间自然有非常好的导热系数。在这种情况下使用银烧结能带来的回报较小。事实上，正如之前提到的，壳与周围之间的热阻RθJA很大程度上是由电路板和系统设计决定的，因

此不受集成器件制造商控制，它通常比结壳之间的热阻RθJC大得多。这点不仅对功率器件成立，对所有半导体皆成立。在功率半导体的晶粒分布面积已经相当小（这是SiC器件的常规工作特性）的情况下，较小的晶粒结构体积能有效推广银烧结技术代替铅基焊料。银烧结所带来的高导热性可以保证器件仍在安全工作范围内同时，结点温度保持在最高工作温度以下，即使从晶粒开始的冷却路径要小得多

为什么工程师喜欢烧结银？

大部分工作情况下，硅基功率半导体的制造商都不太可能使用银烧结代替焊料，不过虽然银烧结能给SiC器件带来优势很大程度上是因为SiC器件的较高性能和较小晶粒体积，但是通常，它确实能带来显著的工程优势。系统工程师可以采用以下方式利用这些优势。

      首先，采用不同熔点更高的连接点可为设计带来一个更高的热裕度。随着结的热量增加，且硅器件/基于焊料器件中热路的限制作用变得更加明显，焊料的温度可能接近焊料的熔点。这不会导致突然故障，但是重复的功率周期可能会使连接处的性能下降，这意味着该处最终会压力过大，并成为一个弱点。或许情况比预期更乐观，烧结银的使用实际上可以带来更大的系统增益。在计算总热量阻时，结与周围之间的热阻RθJA是典型的主要因素影响值。然而，不断创新发展的更精细和高效的冷却解决方案，如高性能应用的液冷，使 r θjc成为一个主要因素。这些高性能的热管理系统较为昂贵，但是在某些应用中十分必要。如果功率半导体发展成为实际上的限制性因素，就很可能导致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。