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为什么说银烧结正在挑战针脚与框架连接中采用的铅基焊料

关键词:功率器件 逻辑晶体管 铅基焊料

时间:2021-01-27 10:19:02      来源:网络

在涉及电子产品,尤其是集成半导体时,体积至关重要。数十年来,行业发展一直符合摩尔定律,它预测晶体管成本会年年降低。可能有人质疑摩尔定律的准确性,但是它创造的对更小、更快、更便宜产品的需求却不会在短期内终结。

作者:UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla

在涉及电子产品,尤其是集成半导体时,体积至关重要。数十年来,行业发展一直符合摩尔定律,它预测晶体管成本会年年降低。可能有人质疑摩尔定律的准确性,但是它创造的对更小、更快、更便宜产品的需求却不会在短期内终结。

然而,对于功率器件而言,摩尔定律并非金科玉律。确实,器件越小越好,但是功率半导体在有用的同时能有多小存在可接受的极限。这是因为它承载电流的能力与物理面积息息相关。所有半导体都有一个共同点,那就是需要将结处生成的热量散出去。这也是一个与物理尺寸关系密切的性能表征。

随着逻辑晶体管面积不断减小至亚微米级尺寸,它能以更低的总体成本进行更快的运行并损耗较低的功率。事实上,晶体管的进一步集成会面临热密度方面的挑战。管理基片上生成的高温并非小事,尤其是在将数十万晶体管集成到一个基片上时。很明显,在这种密度下,即使微小的损耗也会快速带来可能造成损坏的高温。

对于功率器件,缩小面积能带来同样的好处,但是,由于涉及的功率电平要高得多,热状况会进一步降低可扩展性。此处的关键指标是从结到壳的热阻,而表示这一指标的重要参数之一是结和晶粒的物理体积。除此以外,晶粒连接到壳的方式是另一个仅次于体积的相关热阻参数,从这一方面着手,有几种方法可以提高功率器件的整体导热性。

一个好例子是UnitedSiC开发的利用烧结银代替铅基焊料来将晶粒连接到封装的技术。在大多数情况下,铅焊料是晶粒连接的完美方式,但是铅焊料的导热系数相对较低,约为0.25W/cm/°C。烧结银的导热系数则很高,约为1.4W/cm/°C。

采用银烧结会显著降低从晶粒到壳的总体热阻,这意味着可以降低晶粒的体积而不会影响热性能。在此情况下这一点尤其重要,因为碳化硅可以应对这种扩展。碳化硅基片几乎各方面的表现都优于硅基片,因而功率器件能够以较小的晶粒面积承载相同的电流。众所周知,晶粒越小成本越低,因此,虽然碳化硅基片的价格比硅基片高,但是总体拥有成本却较低。

当然,银烧结的好处并非只能由碳化硅独享,但是半导体行业对成本极为敏感,而现在,在所有器件中都用烧结银代替铅基焊料可能并非一个好办法。然而,如果我们从近期的事件中学到了一些经验,那就是事情是在变化的,有的时候变化会很快。UnitedSiC打算在所有合理情况下采用烧结银,我们认为,明智的做法很可能是在行业中普及。外形尺寸的不断缩小只会增加对更小的晶粒到框架热阻的需求,而在这方面,UnitedSiC又一次引领市场。

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