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    金刚石热沉:高功率芯片散热及冷却的终极设计

    时间:2023-11-10浏览次数:1985

    随着功率芯片(如IGBT,,MOSFET)电流及电压的加大,,芯片开关产生的大量热流必须以散热片的高热扩散率均温及以流体(空气或液体)带走。。。另一方面,,高速运算的芯片(如CPU,GPU)其热流也需先以散热片的热扩散率(声子)及时消除热点,,,然后以热沉片带走热流来勉强降低芯片温度。。。。

     

    由于金属(如铜,,,铝)的热传导率虽高,,,但因芯片的热膨胀率远低于金属,,,,两者中间必须以软质材料(如铟合金,,,,散热膏)降低应力以提高可靠度,,,这些TlM(Thermal Interface Material)的热传导率很低,,,但热容量却很大,,,因此会阻挡芯片热流外传,,,,因此热点不能消除。。。

     

    用低热膨胀速率的陶瓷材料(如六方氮化硼hBN)上面覆铜避免使用造成热阻的TⅠM,,但这类材料乃热压成型,,内含気孔,,,,不仅挡住了热量的传导,,也使热沉强度大减,,,,甚至容易掉粉。。

     

    高功率元件可银焊在六方氮化硼压块的覆铜上,,如下图所示。。。这种设计虽可加降低芯片温度,,,但却同时降低了封装的可靠度,,并非最佳设计。。。。


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    现在介绍金刚石热沉片的技术,,,,首先金刚石的热传导率高于包括银,,铜等的任何金属,,,,所以热量就会迅速自芯片引出而降低芯片温度。。。其次金刚石不导电却可以声子(晶格振动)散热,,,所以是材料界热扩散率最高的。。。。金刚石热沉片不能容忍温度梯度,,,,会即时均温(消除温度差异)。。。。换言之,,芯片焊在金刚石热沉片后其内的热点难以存在。。芯片的性能其实不是由平均温度决定的,,,,而是由最高温处的极小热点所限制。。。

     

    热点面积可以只有数十个原子,,,,但其振动频率代表的温度却数倍于平均温度。。。所以金刚石热沉片可提高芯片的功率或速度,,即使平均温度昇高也不损及芯片的性能。。例如以金刚石消除热点,,CPU的频率可以大幅提高,,,,超频计算可容许芯片的平均温度提高而维持其可靠度。。。。功率芯片若焊在大而厚的金刚石覆铜散热,,,,功率可能加倍。。

     

    金刚石热沉可以化学镀后电镀加厚,,或以活性合金(AMB)纤焊,,,前者附着力低而且比纸薄。。更有甚者,,电镀铜并不结晶,,,,所以其电阻较大,,,发热量也高。。。钎焊覆铜附着极牢,,加上钎焊的高温会使铜箔的晶粒快速长大。。。。金刚石热沉片的导电率高于一般铜箔,,所以电流通过时的发热量很小,,可以降低芯片的平均温度。。。。

     

    金刚石终极功率半导体材料的禁带宽度5.47eV,,具有优异的力学、、、、电学、、热学、、、、声学和光学特性,,,,是最具有应用前景的宽禁带半导体材料之一。。尊龙时凯凭借卓越的创新能力和雄厚的技术实力,,已成为国内宽禁带半导体领域领军企业。。。。


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