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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:317

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。化合积电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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