PCB熱管理與填銅過孔

隨著解決方案在能源效率和數(shù)據(jù)處理方面的要求越來越高，技術(shù)不斷進(jìn)步。Kuprion 開發(fā)了一種獲得專利的填銅過孔技術(shù)，Kuprion Inc 總裁兼創(chuàng)始人 Alfred Zinn 博士在接受 EEWeb 采訪時指出，PCB 的熱管理非常重要。改善傳熱可以增加平均故障間隔時間 (MTBF)，同時提高發(fā)熱組件的性能。

Kuprion 的銅填充熱通孔可滿足復(fù)雜、先進(jìn)的高性能系統(tǒng)對散熱和功耗的更高可靠性要求。Zinn 說，Kuprion 的銅填充技術(shù)是一種簡單且具有成本效益的方法，它直接放置在需要冷卻的組件下方，打開第二個散熱管道，使冷卻速度提高一倍。

PCB熱管理

集成電路產(chǎn)生的熱量帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到當(dāng)今更高的速度、更小的電路板表面積以及許多安裝在 PCB 上的設(shè)備。這些需求需要解決方案來有效地散熱并確保電子系統(tǒng)產(chǎn)品的性能和壽命。

適當(dāng)?shù)?熱管理對于將每個組件保持在安全溫度范圍內(nèi)?是必要的?。結(jié)溫不應(yīng)超過制造商數(shù)據(jù)表中規(guī)定的限值（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個組件產(chǎn)生的熱量通過封裝和連接引腳傳遞到外部。近年來，電子元件制造商制造了越來越多的熱兼容封裝。即使隨著這些封裝的進(jìn)步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越復(fù)雜。

氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG) 的日益普及，使組件能夠?qū)崿F(xiàn)比硅基技術(shù)更高的工作溫度和功率輸出。然而，這并沒有消除仔細(xì)熱管理的需要，以均勻分布產(chǎn)生的熱量，以避免形成危險的“熱點”并最大限度地減少功率損失。

用于改進(jìn) PCB 熱管理?的?兩種主要技術(shù)包括創(chuàng)建大型接地層?和?插入熱通孔。相反，熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳遞到另一層。它們的功能是將熱量從電路板上的最熱點引導(dǎo)到其他層。

FR4 不提供高導(dǎo)熱性，并且當(dāng)前的電鍍和銅幣技術(shù)受到緩慢的制造過程和對體積龐大的散熱器的要求的限制。

圖 1：電鍍和銅幣

填銅過孔

Kuprion 的銅配方不含鉛且符合 RoHs 標(biāo)準(zhǔn)，是一種可流動的工程銅漿——一種致密且粘性的銅形式，可在空氣中安全處理。該公司的銅填充熱通孔提供了一個直接集成到 PCB 中的高效散熱路徑，直接放置在表面貼裝 IC“熱源”下方，允許使用 Kuprion 的表面貼裝銅材料直接進(jìn)行表面貼裝接合以實現(xiàn)最大的熱傳遞。

Kuprion 的銅熱通孔膏能夠填充直徑至少為 5 毫米的通孔。熔化后，銅漿在不熔化的情況下轉(zhuǎn)化為固態(tài)銅，從而提供大約 110-180 W m-1K-1（CTE 調(diào)整）范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率和高達(dá) 290 W m-1K-1 的微通孔（高達(dá)25mil 直徑）。

“我們的技術(shù)提供了多種優(yōu)勢：由于焊膏在熔化過程中不會經(jīng)過液態(tài)階段，因此不會導(dǎo)致芯吸，實際上消除了短路，并允許將觸點放置得非?？拷詫崿F(xiàn)最大的 I/O 密度。它還通過將組件直接鍵合到熱通孔來確保顯著降低熱阻，從而促進(jìn)不僅在頂部表面上而且通過 PCB 到背面的有效散熱。您還可以將這些互連非常靠近地放置在一起，并且在超過 500°C 的溫度下保持穩(wěn)定，”Zinn 說。

Kuprion 的銅熱通孔提供低溫處理 (235°C) 和高溫操作 (>300°C)。該材料不會在偏壓和/或溫度下降解或遷移，并提供約 110-290 W/mK 的高導(dǎo)熱率，具體取決于撥入的特定 CTE。其他特性包括： 1000 次循環(huán)的熱沖擊穩(wěn)定性（-30 °C 至 + 200 °C）和熱剪切強(qiáng)度（260°C / 20 秒）與室溫剪切強(qiáng)度相似。

Kuprion 的熱通孔銅技術(shù)利用其工程銅材料的 CTE（熱膨脹系數(shù)）調(diào)諧能力（5-17 ppm 范圍）來減輕 CTE 不匹配，否則在使用標(biāo)準(zhǔn)銅幣技術(shù)時可能導(dǎo)致翹曲和其他可靠性問題。

“目前，重點更多在 PCB 級，但它是設(shè)備級應(yīng)用。一種被廣泛考慮的技術(shù)是開發(fā)使用銅柱而不是球柵區(qū)域，在封裝級實現(xiàn)非常高密度的互連，因此您可以擁有可以放在電路上并且密度更高的小型集成系統(tǒng)，小得多的系統(tǒng)。到目前為止，我們?yōu)闊嵬诇y量的最大值為每米開爾文 290 瓦，”Zinn 說。

圖 2：Kuprion 的填銅過孔

圖 3：Kuprion 工程銅材料的熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率

“高功率運(yùn)行會導(dǎo)致高結(jié)溫和元件溫度，而這正是熱膨脹導(dǎo)致可靠性問題的地方。因為我們可以在很寬的范圍內(nèi)使用某些添加劑來定制我們的材料的熱膨脹，所以我們能夠?qū)⑵渑c Si、GaN 和 SiC 等半導(dǎo)體材料相匹配，并且我們能夠替換典型的鎢銅散熱器和散熱器用于避免這些問題?，F(xiàn)在，使用我們的銅，您可以獲得更輕的東西，幾乎相當(dāng)于四分之一的密度，例如，這對航空航天應(yīng)用特別感興趣。它也更容易加工，因為材料更柔軟，”Zinn 說。

“對于大功率，尤其是大電流，你需要非常好的導(dǎo)電性和低電阻，這樣你的系統(tǒng)就不會變熱，你只能承載高功率密度。另一個要考慮的材料特性是當(dāng)你有這些高電流時是遷移。而目前燒結(jié)銀的使用越來越多。銀的缺點是它很容易在增加的磁場下遷移，并且容易產(chǎn)生可能導(dǎo)致短路的小枝晶，而銅則不會，”Zinn 說。

Kuprion目前正在擴(kuò)展其熱沖擊和振動等可靠性測試，同時建立大規(guī)模生產(chǎn)流程以實施，本季度接受訂單。Kuprion 的銅填充熱通孔非常適合高級大功率應(yīng)用，例如 5G 收發(fā)器/功率放大器、工業(yè) LED、顯卡、數(shù)據(jù)服務(wù)器、路由器和汽車照明。

審核編輯：湯梓紅