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，技術不斷進步。Kuprion 開發(fā)了一種獲得專利的填銅過孔技術，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雜、先進的高性能系統(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?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?。結溫不應超過制造商數(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步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越復雜。

氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導體 (WBG) 的日益普及，使組件能夠?qū)崿F(xiàn)比硅基技術更高的工作溫度和功率輸出。然而，這并沒有消除仔細熱管理的需要，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 PCB 熱管理?的?兩種主要技術包括創(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到其他層。

FR4 不提供高導熱性，并且當前的電鍍和銅幣技術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 標準，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)的熱導率和高達 290 W m-1K-1 的微通孔（高達25mil 直徑）。

“我們的技術提供了多種優(yōu)勢：由于焊膏在熔化過程中不會經(jīng)過液態(tài)階段，因此不會導致芯吸，實際上消除了短路，并允許將觸點放置得非常靠近以實現(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）和熱剪切強度（260°C / 20 秒）與室溫剪切強度相似。

Kuprion 的熱通孔銅技術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，否則在使用標準銅幣技術時可能導致翹曲和其他可靠性問題。

“目前，重點更多在 PCB 級，但它是設備級應用。一種被廣泛考慮的技術是開發(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 工程銅材料的熱導率和擴散率

“高功率運行會導致高結溫和元件溫度，而這正是熱膨脹導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。現(xiàn)在，使用我們的銅，您可以獲得更輕的東西，幾乎相當于四分之一的密度，例如，這對航空航天應用特別感興趣。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你有這些高電流時是遷移。而目前燒結銀的使用越來越多。銀的缺點是它很容易在增加的磁場下遷移，并且容易產(chǎn)生可能導致短路的小枝晶，而銅則不會，”Zinn 說。

Kuprion目前正在擴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)服務器、路由器和汽車照明。

審核編輯：湯梓紅