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發(fā)布時(shí)間：2022-07-25 發(fā)布時(shí)間：521 發(fā)布時(shí)間：
雖然電子器件帶來(lái)的功能似乎沒(méi)有止境，但是數字和模擬器件的集成器件制造商（IDM）仍然不得不在所用材料的物理限制內設計解決方案。由于半導體發(fā)展大趨勢和終端市場(chǎng)帶來(lái)的需求，隨著(zhù)時(shí)間推移，管理產(chǎn)品的熱密度變得越來(lái)越重要。
一般而言，熱管理管理的是二極管和晶體管的半導體結產(chǎn)生的熱量。在高度集成的數字器件中，每?jì)赡辏w管數量大約就會(huì )翻一番，而成本保持不變，這符合摩爾定律。功率密度是促使集成器件制造商開(kāi)發(fā)高度集成的數字器件的主要推動(dòng)力，而眾所周知，它長(cháng)期以來(lái)一直是一個(gè)限制因素。
問(wèn)題在于，隨著(zhù)體積縮小，芯片設計師可以將更多器件放入給定面積中，或者使用相同數量的器件但讓晶粒體積更小。集成器件制造商承受著(zhù)以相同（或更低）價(jià)格提供更多功能的市場(chǎng)壓力，而不是以更低價(jià)格提供相同功能的壓力，這意味著(zhù)它們傾向于添加更多晶體管，而不是降低晶粒體積和成本。這是因為，相對而言，硅較便宜。
對于主要生產(chǎn)模擬器件，尤其是功率晶體管的制造商而言，器件內的柵極/晶體管數量遠不那么重要。重要的因素是在給定晶粒體積中器件能夠處理的功率量。雖然人們通常認為“越小越好”，但是在集成功率器件方面，晶粒體積主要由額定功率決定，因此晶粒體積降低存在實(shí)際限制。
挑戰這一限制可能導致可靠性降低，這是由功率開(kāi)關(guān)器件周期的不利影響造成的。位于這個(gè)問(wèn)題中心的就是半導體結（從位置上看，也位于中心）的溫度。
【圖1：表面安裝半導體器件的實(shí)體模型，(a) 3D模型，其基本封裝組件焊接到絕緣金屬基片（IMS）上，(b) ANSYS 中的熱模型，表明熱量從半導體芯片散逸到外部環(huán)境中】
【表1：材料屬性表和根據圖2計算得到的RθJC】
晶粒的體積會(huì )直接影響結產(chǎn)生的熱量和所需的散熱速度。從這方面看，體積越大越好。晶粒越大，熱量在離開(kāi)結時(shí)可經(jīng)過(guò)的表面積就越大。然而，推動(dòng)數字器件的集成器件制造商發(fā)展的市場(chǎng)力量也存在于模擬和功率半導體領(lǐng)域，工程師想要更小的晶粒，因為這意味著(zhù)性能更高，成本更低。
在經(jīng)過(guò)結和晶粒后，熱量散逸時(shí)遇到的下一個(gè)熱屏障是晶粒與封裝的連接點(diǎn)。行業(yè)標準做法是在接觸點(diǎn)進(jìn)行焊接。大部分情況下，焊接都是一個(gè)好辦法。它易于采用，較為便宜且較為可靠。該連接處的導熱系數需要考慮材料的量，而不僅僅是厚度，而且不同材料會(huì )有不同厚度。材料量將主導該連接處的導熱系數，因為熱量會(huì )朝著(zhù)所有方向散逸，但是根據遇到的熱阻，散熱速度會(huì )有所不同。鉛合金焊接方法的一個(gè)替代方案是使用能夠燒結的焊膏。焊膏材料的導熱系數往往高得多，而且常常可以用于更薄的層。銀是很好的示例，銀燒結層的導熱系數可以達到1.4-2 W/cm/°C左右。與導熱系數僅為0.25 W/cm/°C的鉛焊相比，銀燒結更好。
在功率器件中，流經(jīng)焊接處的熱量非常高，因此需要更加注意晶粒與框架連接處的熱性能及其處理高溫而不降低性能的能力。燒結銀的熱阻要比焊料低得多，因而使用燒結銀代替焊料能提高RθJC，而且由于銀的熔點(diǎn)較高，整個(gè)設計的熱裕度也提高了。
SiC基片比硅基片更小更薄。將SiC基片與燒結銀（作為基片與框架的連接處）結合使用時(shí)，得到的RθJC值與其他功率半導體相當，但是卻能擁有SiC基片的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開(kāi)關(guān)速度和更高的效率，從而帶來(lái)更高的熱密度，進(jìn)而得到更小的最終產(chǎn)品。
由于燒結銀具有明顯優(yōu)勢，似乎有理由期盼所有集成器件制造商都使用燒結銀。制造商不使用，至少現在不使用燒結銀的主要原因是IGBT等基于硅的功率器件需要具有不小的晶粒面積，因此晶粒和引腳框架之間自然有非常好的導熱系數。在這種情況下使用燒結銀能帶來(lái)的回報較小。事實(shí)上，正如之前提到的，殼與周?chē)g的熱阻RθJA很大程度上是由電路板和系統設計決定的，因此不受集成器件制造商控制，它通常比結殼之間的熱阻RθJC大得多。這點(diǎn)不僅對功率器件成立，對所有半導體皆成立。
在功率半導體的晶粒面積相當小（這是SiC器件的常規特性）的情況下，較小的晶粒體積能有效促使采用銀燒結技術(shù)代替鉛基焊料。燒結銀帶來(lái)的較高導熱系數能確保器件仍在安全運行范圍內運行，同時(shí)將結溫維持在更高運行溫度以下，即使在從晶粒開(kāi)始的散熱路徑變小很多的情況下也是如此。
大部分情況下，硅基功率半導體的制造商都不太可能使用燒結銀代替焊料。不過(guò)，雖然燒結銀能給SiC器件帶來(lái)優(yōu)勢很大程度上是因為SiC器件的較高性能和較小晶粒體積，但是通常，它確實(shí)能帶來(lái)顯著(zhù)的工程優(yōu)勢。系統工程師可以采用以下方式利用這些優(yōu)勢。
這些高性能的熱管理系統非常昂貴，但是在某些應用中十分必要。如果功率半導體成為實(shí)際上的限制性因素，就很可能無(wú)法實(shí)現上述系統的低成本和復雜性，當然，如果在系統層面更高效地處理熱量，則可以實(shí)現。
因而，可以實(shí)現此處所述的低結殼熱阻的功率開(kāi)關(guān)器件能更好地支持這些高性能應用。
工程領(lǐng)域的許多人都不了解半導體器件設計和制造的細節，而且確實(shí)沒(méi)有必要深入了解每個(gè)集成器件工程師在產(chǎn)品設計中運用的物理細節。不過(guò)，偶爾，探索細節也是合理的。
銀燒結就是這種情況。在功率半導體中，尤其是在基于碳化硅等寬帶隙材料的功率半導體中，采用銀燒結會(huì )直接影響這些器件能帶給最終應用的實(shí)際價(jià)值。
雖然大部分功率半導體目前不采用銀燒結技術(shù)，但是UnitedSiC預計這種情況會(huì )發(fā)生變化。由于它為組件級和系統集成方面帶來(lái)的優(yōu)勢，采用銀燒結正在成為所有產(chǎn)品的標準做法。
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