Kuprion 的高功率耗散铜填充散热孔

随着解决方案在能源效率和数据处理方面要求越来越高的性能，技术不断进步。Kuprion 开发了专利的铜填充通孔技术，Kuprion Inc 总裁兼创始人 Alfred Zinn 博士在接受 Power Electronics 采访时指出，PCB 的热管理非常重要。改善热传递可以增加平均无故障时间 （MTBF），同时提高发热组件的性能。

Kuprion 的铜填充散热孔解决了复杂、先进的高性能系统在散热和功耗方面日益增加的可靠性需求。Zinn 说，Kuprion 的铜填充技术是一种简单且具有成本效益的方法，它直接放置在需要冷却的组件下方，打开第二个散热管道，使冷却速度加倍。

PCB热管理

集成电路产生的热量带来了巨大的挑战，尤其是考虑到当今更高的速度、更小的电路板表面积以及 PCB 上的许多设备。这些需求需要解决方案来有效散热并确保电子系统产品的性能和使用寿命。

适当的 热管理 对于将每个组件保持在安全温度范围内是必要的 。结温绝不能超过制造商数据表中指示的限制（对于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之间）。每个元件产生的热量通过封装和连接引脚传递到外部。近年来，电子元件制造商制造了越来越多的热兼容封装。即使有了这些封装的进步，随着集成电路尺寸的不断缩小，散热也变得越来越复杂。

氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等宽带隙半导体 （WBG） 的日益普及使组件能够实现比硅基技术更高的工作温度和功率输出。然而，这并没有消除对仔细热管理的需要，以均匀分布产生的热量，以避免形成危险的“热点”并最大限度地减少功率损失。

用于改进 PCB 热管理的 两种主要技术包括 创建大地平面 和 插入热通孔。相反，热通孔用于将热量从同一板上的一层传输到另一层。它们的功能是将热量从板上最热点引导到其他层。

FR4 不提供高热导率，当前电镀和铜币技术受到缓慢制造过程和对可能庞大的散热器的要求的限制。

图 1：电镀和铜币

铜填充通孔

无铅且符合 RoHs，Kuprion 的铜配方是一种可流动的工程铜膏 - 一种致密且粘稠的铜，在空气中处理是安全的。该公司的铜填充散热孔提供了一种直接集成到 PCB 中的高效散热路径，直接放置在表面贴装 IC“热源”下，允许使用 Kuprion 的表面贴装铜材料进行直接表面贴装接合，以实现最大的热传递。

Kuprion 的铜热通孔膏能够填充直径至少为 5 毫米的通孔。熔化后，铜膏会在不熔化的情况下转化为实心铜，从而提供大约 110-180 W m-1K-1（CTE 调整）的热导率和高达 290 W m-1K-1 的微导通孔（高达直径 2500 万米）。

“我们的技术提供了多种优势：由于焊膏在融合过程中不会经过液态阶段，因此不会引起芯吸，实际上消除了短路，并允许将触点非常靠近地放置在一起以获得最大的 I/O 密度。它还通过将组件直接连接到散热孔来确保显着降低热阻，不仅在顶部表面，而且通过 PCB 到背面促进有效散热。您还可以将这些互连非常靠近地放置在一起，并且在超过 500°C 的温度下是稳定的，”Zinn 说。

Kuprion 的铜散热孔提供低温处理 （235°C） 和高温操作 （》300°C）。该材料在偏压和/或温度下不会降解或迁移，并提供约 110-290 W/mK 的高导热率，具体取决于拨入的特定 CTE。其他特性包括： 1000 次循环的热冲击稳定性（-30 °C 至 + 200 °C），以及与 rt 剪切强度相似的热剪切强度 （260°C / 20 秒）。

Kuprion 的热通孔铜技术利用其工程铜材料的 CTE（热膨胀系数）调谐能力（5-17 ppm 范围）来减轻 CTE 不匹配，否则在使用标准铜币技术时会导致翘曲和其他可靠性问题。

“现在，重点更多地放在 PCB 级，但它是设备级应用。一种被广泛考虑的技术是开发使用铜柱而不是球栅区域，在封装级别获得非常高密度的互连，因此您可以拥有小型集成系统，可以放在电路上并具有更高的密度，小得多的系统。迄今为止，我们为热通孔测得的最大值为每米开尔文 290 瓦，”Zinn 说。

图 2：Kuprion 的铜填充通孔

图 3：Kuprion 工程铜材料的热导率和扩散率

“高功率运行会导致高结温和组件温度，这就是热膨胀导致可靠性问题的地方。因为我们可以使用某些添加剂在广泛的范围内定制材料的热膨胀，所以我们能够将其与 Si、GaN 和 SiC 等半导体材料相匹配，并且我们能够取代典型的钨铜散热器和散热器用于避免这些问题。现在，使用我们的铜，您可以拥有更轻的材料，几乎相当于四分之一的密度，例如，这对航空航天应用尤其重要。它也更容易加工，因为材料更柔软，”Zinn 说。

“对于大功率，尤其是大电流，您需要非常好的导电性和低电阻，这样您的系统就不会发热，并且您可以承载高功率密度。另一个需要考虑的材料特性是当你有这些高电流时是迁移。而目前烧结银的使用越来越多。银的缺点是它在增加的磁场下很容易迁移，并且容易产生会导致短路的小枝晶，而铜则不会，”Zinn 说。

Kuprion 目前正在扩大其可靠性测试，例如热冲击和振动，同时建立大规模生产流程以实施它，本季度已接受订单。Kuprion 的铜填充散热孔非常适合高级高功率应用，例如 5G 收发器/功率放大器、工业 LED、显卡、数据服务器、路由器和汽车照明。

审核编辑：彭静