PCB热管理与填铜过孔

随着解决方案在能源效率和数据处理方面的要求越来越高，技术不断进步。Kuprion 开发了一种获得专利的填铜过孔技术，Kuprion Inc 总裁兼创始人 Alfred Zinn 博士在接受 EEWeb 采访时指出，PCB 的热管理非常重要。改善传热可以增加平均故障间隔时间 (MTBF)，同时提高发热组件的性能。

Kuprion 的铜填充热通孔可满足复杂、先进的高性能系统对散热和功耗的更高可靠性要求。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，使冷却速度提高一倍。

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许多安装在 PCB 上的设备。这些需求需要解决方案来有效地散热并确保电子系统产品的性能和寿命。

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 。结温不应超过制造商数据表中规定的限值（对于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之间）。每个组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。即使随着这些封装的进步，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型接地层 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递到另一层。它们的功能是将热量从电路板上的最热点引导到其他层。

FR4 不提供高导热性，并且当前的电镀和铜币技术受到缓慢的制造过程和对体积庞大的散热器的要求的限制。

图 1：电镀和铜币

填铜过孔

Kuprion 的铜配方不含铅且符合 RoHs 标准，是一种可流动的工程铜浆——一种致密且粘性的铜形式，可在空气中安全处理。该公司的铜填充热通孔提供了一个直接集成到 PCB 中的高效散热路径，直接放置在表面贴装 IC“热源”下方，允许使用 Kuprion 的表面贴装铜材料直接进行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，铜浆在不熔化的情况下转化为固态铜，从而提供大约 110-180 W m-1K-1（CTE 调整）范围内的热导率和高达 290 W m-1K-1 的微通孔（高达25mil 直径）。

“我们的技术提供了多种优势：由于焊膏在熔化过程中不会经过液态阶段，因此不会导致芯吸，实际上消除了短路，并允许将触点放置得非常靠近以实现最大的 I/O 密度。它还通过将组件直接键合到热通孔来确保显着降低热阻，从而促进不仅在顶部表面上而且通过 PCB 到背面的有效散热。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 的温度下保持稳定，”Zinn 说。

Kuprion 的铜热通孔提供低温处理 (235°C) 和高温操作 (>300°C)。该材料不会在偏压和/或温度下降解或迁移，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）和热剪切强度（260°C / 20 秒）与室温剪切强度相似。

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可能导致翘曲和其他可靠性问题。

“目前，重点更多在 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，在封装级实现非常高密度的互连，因此您可以拥有可以放在电路上并且密度更高的小型集成系统，小得多的系统。到目前为止，我们为热通孔测量的最大值为每米开尔文 290 瓦，”Zinn 说。

图 2：Kuprion 的填铜过孔

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元件温度，而这正是热膨胀导致可靠性问题的地方。因为我们可以在很宽的范围内使用某些添加剂来定制我们的材料的热膨胀，所以我们能够将其与 Si、GaN 和 SiC 等半导体材料相匹配，并且我们能够替换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，您可以获得更轻的东西，几乎相当于四分之一的密度，例如，这对航空航天应用特别感兴趣。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，你需要非常好的导电性和低电阻，这样你的系统就不会变热，你只能承载高功率密度。另一个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。银的缺点是它很容易在增加的磁场下迁移，并且容易产生可能导致短路的小枝晶，而铜则不会，”Zinn 说。

Kuprion目前正在扩展其热冲击和振动等可靠性测试，同时建立大规模生产流程以实施，本季度接受订单。Kuprion 的铜填充热通孔非常适合高级大功率应用，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：汤梓红