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大功率电力电子器件散热,千万别错过金刚石热沉片!

发表时间:2022-04-24 13:36作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

随着电力电子技术的进步,电力电子器件的功率等级不断提高,同时设备向着小型化、紧凑化的方向发展,使得电力电子器件热量集中、散热面积小的特点日益突出,造成了器件的面热流密度不断增大。此外,随着 SiC 等新材料在电力电子器件中的应用, 虽然 SiC 芯片损耗有所降低,但由于芯片尺寸减小,导致局部热流密度更高,对散热要求反而更高。



已有研究表明,半导体芯片的温度每升高 10 ℃,芯片的可靠性就会降低一半。温度对寿命的影响主要体现在两方面: 一是芯片的热失效,二是应力损坏。常见的硅芯片的安全工作温度一般为 - 40 ~ 50 ℃,在安全工作温度范围内器件可正常工作,当结温超过安全工作温度时,会引起芯片的热失效,硅芯片的最高允许结温一般为 175 ℃; 另一方面,由于器件内各材料膨胀系数的差异,过高的结温会引起芯片内热应力增大,进而引起芯片内焊料弯曲、键合丝脱落等机械损伤。器件的工作温度越高, 器件的生命周期越短,因此降低器件温度是延长其生命周期的有效方法。


热沉材料,由于要与芯片紧密贴装,需要考虑高的热导率(thermal conductivity,TC)和匹配的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)。通过高热导率实现快速散热,保证芯片在适宜的温度下正常工作;通过匹配的热膨胀系数,减小热沉、芯片以及各封装材料之间的热应力,避免开裂脱离等导致芯片过烧的情况发生。热沉材料的升级和发展,实质是热导率和热膨胀系数不断优化的过程。



目前,热导率超过1000W/m.K,金刚石材料是首选且是唯一选择。金刚石热沉片的热导率达1000-2000W/m.K。作为热沉,金刚石表现出优异的散热特性:一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散;另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。目前,化合积电(厦门)半导体科技有限公司的金刚石热沉片技术指标已达国际领先水平,金刚石热沉片生长面表面粗糙度Ra<1nm,热导率高达1000-2000W/m.K。


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