Изучение использования тепловых спредеров в мощных полупроводниковых устройствах

Материалы, используемые в теплораспределителях

Выбор материала является единственным наиболее эффективным решением в конструкции теплораспределителя. Идеальный материал сочетает в себе высокую теплопроводность, низкую плотность, CTE, близкий к кремнию (2,6 ppm / K), и технологичность по разумной цене. На практике ни один материал не удовлетворяет всем требованиям, поэтому инженеры должны расставлять приоритеты на основе ограничений применения.

медь

Медь остается эталоном для теплораспределителей в мощных приложениях. При теплопроводности 390-400 Вт/м·К она распространяет тепло быстрее, чем любой обычный инженерный металл. Медь также обеспечивает хорошую механическую прочность и может быть обработана, проштампована или кована в сложные формы. Однако медь плотная (8,96 г/см3), что добавляет значительный вес аэрокосмическим и мобильным приложениям. Ее CTE 16,7 ppm/K значительно выше, чем кремний, создавая тепловой стресс во время циклического перепада температуры. Это несоответствие часто требует никелевого покрытия или композитного слоя молибден-медь для предотвращения растрескивания.

алюминий

Алюминий (теплопроводность ~ 200-230 Вт / м · К) обеспечивает около половины возможностей распространения меди, но при одной трети веса. Его низкая стоимость и простота экструзии делают его популярным для потребительской электроники и светодиодного освещения, где абсолютные тепловые характеристики менее критичны, чем стоимость и вес. ЦТЭ алюминия 23 ppm / К даже выше, чем медь, поэтому прямой контакт с большими кремниевыми кристаллами проблематичен без совместимого TIM. В мощных модулях IGBT алюминий часто используется в качестве материала базовой пластины с медными вставками на интерфейсе матрицы для сочетания экономии веса с высоким локальным распространением.

Графит и пиролитический графитовый лист (PGS)

Анизотропные графитовые материалы, такие как пиролитические графитовые листы, обеспечивают теплопроводность в плоскости, превышающую 800 Вт / м · К - более чем в два раза больше, чем у меди - при плотности всего 2,2 г / см3. Эти материалы эффективно являются 2D-проводниками: тепло быстро распространяется в плоскости, но очень плохо проводит через толщину (обычно 10-20 Вт / м · К). Это делает их идеальными для тонких, широкоугольных распредвалов в ограниченных пространствах, таких как процессоры смартфонов, светодиодная подсветка и ультратонкие ноутбуки. В мощных полупроводниковых модулях графитовые листы иногда ламинируются между слоями меди для создания легкого гибридного распредителя, который использует лучшее из обоих материалов.

Алмазные и алмазные композиты

Синтетический алмаз обладает самой высокой известной теплопроводностью — до 2200 Вт/м·К для однокристаллического материала и 1200-1500 Вт/м·К для поликристаллического химического осаждения пара (CVD) алмаза. Алмаз также имеет CTE 1-2 ppm/K, почти соответствующий кремнию. Несмотря на эти идеальные свойства, алмазные тепловые распределители дороги и ограничены применениями в малых областях. Они появляются в высокоярких лазерных диодах, усилителях мощности RF и некоторых аэрокосмических силовых модулях, где стоимость является вторичной по сравнению с производительностью. Композиты из алмазных частиц — медно-алмазные или алюминиево-алмазные — предлагают более экономичную среднюю землю с теплопроводностью около 600-700 Вт/м·К и значениями CTE, настраиваемыми между 6-10 ppm/K.

Композиты и передовые материалы

Композиты из металлической матрицы (MMC), такие как AlSiC (карбид алюминиевого кремния) и медно-вольфрамовые, спроектированы для обеспечения адаптированных значений CTE при сохранении умеренной теплопроводности. AlSiC, например, достигает CTE 6-9 ppm/K (близко к керамическим подложкам) с теплопроводностью 180-200 Вт/м·К и плотностью 3,0 г/см3 — значительно легче, чем медь. Эти композиты широко используются в аэрокосмических и военных силовых модулях с высокой надежностью, где соответствие CTE предотвращает усталость припоя в течение тысяч тепловых циклов. Углеродно-волокнистые материалы и металлы с графеновым усилением появляются в качестве вариантов следующего поколения, хотя коммерческое принятие остается ограниченным.

Дизайнерские соображения для теплораспределителей

Выбор материала - это только первый шаг. Геометрия, интерфейс и метод интеграции влияют на конечные тепловые характеристики. Инженеры должны оценить несколько взаимозависимых факторов на этапе проектирования.

Оптимизация сопротивления Распространение

Уравнение сопротивления распространению для прямоугольной пластины с центрированным источником тепла показывает, что сопротивление уменьшается по мере увеличения толщины распредителя и по мере роста соотношения площади распредителя к площади источника. Для данного следа удвоение толщины распредителя обычно снижает сопротивление распространению на 25-35%, но соотношение является нелинейным. Моделирование конечных элементов показывает, что распредитель должен простираться по крайней мере на одну характерную длину за край кристалла в каждом направлении, чтобы полностью извлечь выгоду из бокового распространения. Если распредитель слишком тонкий, тепло едва распространяется; если он слишком толстый, добавленная тепловая масса обеспечивает уменьшающуюся отдачу при увеличении веса и стоимости.

Термические интерфейсы (TIM)

Даже лучший теплораспределитель неэффективен, если интерфейс между штампом и распредвалом имеет высокое тепловое сопротивление. TIM должны заполнять промежутки - обычно 10-100 мкм шероховатости поверхности и волнистости - с материалом, который имеет самую высокую возможную теплопроводность и самую низкую возможную толщину линии связи. TIM на основе солярия (индий, олово-серебряно-медные сплавы) обеспечивают теплопроводность 50-80 Вт / м·К и предпочтительны в мощных модулях для их низкого теплового сопротивления и высокой надежности. TIM на основе полимеров (смазки, гели, материалы с фазовым изменением) дешевле, но деградируют при тепловом цикле и обычно предлагают только 2-10 Вт / м·К. Выбор TIM непосредственно влияет на общее тепловое сопротивление от перехода к распредвалу, часто добавляя 0,1-0,5 К / Вт в зависимости от качества материала и линии связи.

Совпадение КТЭ

Когда распредитель и штамп расширяются с разной скоростью во время нагрева, на интерфейсе развивается механическое напряжение. На протяжении тысяч циклов это напряжение может вызвать растрескивание штампа, усталость припоя или расслоение TIM. Отраслевой стандарт заключается в том, чтобы поддерживать несоответствие CTE ниже 5 ppm / K для больших штампов (> 10 мм на боку). Медные распредвалы требуют совместимого слоя TIM или интерпостера с CTE-градуировкой (например, молибден или медно-молибденовый композит), чтобы избежать проблем с надежностью. AlSiC и медно-молибденовый композит напрямую решают эту потребность, предоставляя значения CTE близко к кремниевым и керамическим подложкам. Дизайнеры всегда должны имитировать термомеханический профиль напряжений, особенно для модулей, которые будут испытывать широкие температурные колебания в автомобильной или аэрокосмической среде.

Методы производства и стоимость

Теплораспределители производятся штамповкой, ковкой, обработкой, литьем или порошковой металлургией, в зависимости от материала и объема. Медные распредвалы часто штампованы или кованы для потребительских товаров большого объема, в то время как сложные формы для промышленных модулей обрабатываются из заготовки. Графитовые листы вырезают или лазерным разрезом, затем ламинируют с помощью CVD на кремниевых подложках и затем выпускают, медленный и дорогой процесс. Стоимость единицы обычно масштабируется с тепловыми характеристиками: алюминиевый распредитель может стоить 0,5 доллара США, никель-покрытый медный распредитель - 5 долларов США, композиционный распредитель AlSiC - 10-20 долларов США и распредатель алмазов CVD - более 200 долларов США за 1 см2 площади. Ограничения стоимости часто заставляют дизайнеров использовать гибридные подходы, такие как медный слизь, встроенный в алюминиевую базовую пластину, достигая 80% производительности при 40% стоимости.

Интеграция с системами охлаждения

Распределитель тепла не работает в одиночку - он должен быть интегрирован в полную систему управления температурой, которая включает в себя радиатор, вентилятор или насос и корпус. Эффективность распредителя максимизируется, когда система охлаждения вниз по течению может удалять тепло с той же скоростью, с которой его поставляет распредитель. Если радиатор или жидкая холодная пластина имеет высокое тепловое сопротивление, распредитель просто уравняет температуру по горячей поверхности, обеспечивая ограниченную выгоду.

В системах с воздушным охлаждением распредитель обычно прикрепляется к плавниковой теплоотводу с слоем TIM. Распредитель снижает тепловое сопротивление от штампа к основанию теплоотвода, позволяя плавникам работать при более равномерной температуре. В холодных пластинах с жидким охлаждением распредитель может быть прикреплен непосредственно к пластине или даже интегрирован как часть структуры холодной пластины, при этом микроканалы фрезерированы в саму поверхность распредителя. Эта конструкция моноблока устраняет один интерфейс TIM и может снизить общее тепловое сопротивление на 15-25% по сравнению с отдельным распредизатором и холодной пластиной.

Для экстремальных плотностей мощности, таких как те, которые обнаружены в лазерных диодных массивах или радиолокационных передатчиках, тепловые распределители сочетаются с передовыми методами охлаждения, такими как струйное или распыляющее охлаждение. В этих системах распредитель действует как поверхность удара, получая прямое жидкое охлаждение при распределении тепла от нескольких небольших источников. Синергия между распространением и активным охлаждением позволяет плотность мощности выше 1000 Вт / см2 на уровне кристалла.

Примеры конкретных приложений

Модули питания IGBT

В типичном модуле 1200 V/600 A IGBT, используемом в тяговых приводах, шесть-двенадцать IGBT и диодных кристаллов припаиваются на медную (DBC) подложку с прямым соединением, которая затем припаивается на медную или AlSiC базовую пластину. Базовая пластина служит в качестве первичного теплораспределителя, распределяя тепло от нескольких кристаллов по всему следу модуля. Медная базовая пластина обеспечивает отличное распространение, но требует никелевой отделки для предотвращения окисления и слоя TIM на теплоотвод. Базовые пластины AlSiC уменьшают вес на 65% по сравнению с медью и устраняют несоответствие CTE, улучшая надежность припоя. Тепловые модели показывают, что переключение с 3-мм медной базовой пластины на 5-мм базовую пластину AlSiC может снизить максимальную температуру перехода на 8 ° C при полной нагрузке из-за лучшего соответствия CTE, что позволяет более тонкий, более проводящий слой TIM.

Светодиоды высокой яркости

Светодиоды, используемые в автомобильных фарах, освещении стадиона и проекционных системах, вырабатывают 50-200 Вт тепла из области кристаллизации всего 1-4 мм2. Тепловой поток превышает 500 Вт/см2, что требует немедленного распространения для предотвращения деградации фосфора и сдвига цвета. Большинство мощных светодиодов используют медный или алюминиевый слизень, встроенный в керамический пакет в качестве распредителя. Для максимальной производительности некоторые производители приняли тонкие алмазные распредвалы CVD, которые сидят непосредственно под кристаллом, снижая тепловое сопротивление до менее 0,5 К/Вт и позволяя токам привода выше 10 А на кристалл.

Усилители мощности RF

РЧ-транзисторы на основе нитрида галлия (GaN), используемые в базовых станциях и радиолокационных системах, генерируют интенсивное тепло на краю затвора, создавая горячие точки, которые могут превышать 800 Вт/см2. В этих устройствах часто используются алмазные тепловые распредвалы, которые выращиваются непосредственно на пластине GaN или склеиваются в виде отдельных плиток. Алмаз распределяет тепло от области затвора до того, как он достигнет основания из медной или алюминиевой упаковки, сохраняя температуру канала ниже 200°C даже при уровнях мощности непрерывных волн в несколько сотен ватт. Было показано, что использование алмазных распредвалов в устройствах GaN снижает температуру соединения на 40-60°C по сравнению с обычными медными распредителями, непосредственно улучшая срок службы устройства и выходную мощность.

Новые тенденции и будущие направления

Неустанное стремление к более высокой плотности мощности в электромобилях, инфраструктуре 5G и инверторах возобновляемых источников энергии стимулирует инновации в технологии теплораспределителей.

Графен и углеродные нанотрубки Композиты

Практические рекомендации для инженеров

Для инженеров, проектирующих системы управления теплом для полупроводников высокой мощности, выбор распределителя тепла должен следовать структурированному процессу принятия решения:

1. Вычислите максимальную температуру перехода и деринговые поля для целевого применения.
2. Определите размер кристалла, общее рассеивание мощности и распределение теплового потока (однородного или концентрированного).
3. Оцените требование сопротивления распространению с помощью аналитических уравнений или моделирования на ранней стадии.
4. Выберите подходящие материалы для распредвала на основе теплопроводности, соответствия CTE и ограничений по стоимости.
5. Конструируйте толщину и площадь распредвала, чтобы минимизировать сопротивление распространению, оставаясь в пределах веса и объема.
6. Выберите подходящий TIM и оцените сопротивление интерфейса с зажимом давления и без него.
7. Моделирование полного теплового стека (die, TIM, spreader, TIM, радиатор) в наихудших условиях, включая временную загрузку.
8. Проверка прототипа с использованием термопар, инфракрасной термографии или термического испытания умирает.
9. Проведение ускоренных испытаний на тепловой цикл для подтверждения механической надежности в течение срока службы (обычно 10 000-10 000 циклов для автомобильных и промышленных применений).

На протяжении всего этого процесса необходимо тесное сотрудничество между командой полупроводниковых приборов и командой управления тепловой энергией. Теплораспределитель, разработанный без понимания карты мощности матрицы и поведения CTE, будет работать хуже или преждевременно выходить из строя. Наиболее успешные конструкции рассматривают распредитель как неотъемлемую часть полупроводникового пакета, а не запоздалую мысль, включенную во время сборки системы.

Заключение

Теплораспределители являются фундаментальным строительным блоком в управлении тепловыми мощными полупроводниковыми устройствами. Распределяя концентрированное тепло на большей площади, они позволяют использовать экономичные решения для охлаждения и защищать чувствительные кристаллы от разрушительного воздействия горячих точек и теплового цикла. Выбор материалов, доступных сегодня - от меди и алюминия до алмазов и композитов - дает дизайнерам мощный инструментарий для балансировки тепловых характеристик, веса, соответствия CTE и стоимости. Поскольку плотность мощности продолжает расти в каждом секторе электроники, тепловые распредвалы будут развиваться через передовые материалы, аддитивное производство и интеллектуальную интеграцию для решения проблемы. Инженеры, которые инвестируют в понимание тепловой физики распространения, нюансов выбора материала и практических аспектов интеграции, будут хорошо оснащены для проектирования надежных высокопроизводительных систем для следующего поколения силовой электроники.