隨著解決方案在能源效率和數(shù)據(jù)處理方面要求越來(lái)越高的性能，技術(shù)不斷進(jìn)步。Kuprion 開(kāi)發(fā)了專(zhuān)利的銅填充通孔技術(shù)，Kuprion Inc 總裁兼創(chuàng)始人 Alfred Zinn 博士在接受 Power Electronics 采訪時(shí)指出，PCB 的熱管理非常重要。改善熱傳遞可以增加平均無(wú)故障時(shí)間 （MTBF），同時(shí)提高發(fā)熱組件的性能。

Kuprion 的銅填充散熱孔解決了復(fù)雜、先進(jìn)的高性能系統(tǒng)在散熱和功耗方面日益增加的可靠性需求。Zinn 說(shuō)，Kuprion 的銅填充技術(shù)是一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的方法，它直接放置在需要冷卻的組件下方，打開(kāi)第二個(gè)散熱管道，使冷卻速度加倍。

PCB熱管理

集成電路產(chǎn)生的熱量帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到當(dāng)今更高的速度、更小的電路板表面積以及 PCB 上的許多設(shè)備。這些需求需要解決方案來(lái)有效散熱并確保電子系統(tǒng)產(chǎn)品的性能和使用壽命。

適當(dāng)?shù)?熱管理 對(duì)于將每個(gè)組件保持在安全溫度范圍內(nèi)是必要的 。結(jié)溫絕不能超過(guò)制造商數(shù)據(jù)表中指示的限制（對(duì)于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個(gè)元件產(chǎn)生的熱量通過(guò)封裝和連接引腳傳遞到外部。近年來(lái)，電子元件制造商制造了越來(lái)越多的熱兼容封裝。即使有了這些封裝的進(jìn)步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來(lái)越復(fù)雜。

氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等寬帶隙半導(dǎo)體 （WBG） 的日益普及使組件能夠?qū)崿F(xiàn)比硅基技術(shù)更高的工作溫度和功率輸出。然而，這并沒(méi)有消除對(duì)仔細(xì)熱管理的需要，以均勻分布產(chǎn)生的熱量，以避免形成危險(xiǎn)的“熱點(diǎn)”并最大限度地減少功率損失。

用于改進(jìn) PCB 熱管理的 兩種主要技術(shù)包括 創(chuàng)建大地平面 和 插入熱通孔。相反，熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳輸?shù)搅硪粚?。它們的功能是將熱量從板上最熱點(diǎn)引導(dǎo)到其他層。

FR4 不提供高熱導(dǎo)率，當(dāng)前電鍍和銅幣技術(shù)受到緩慢制造過(guò)程和對(duì)可能龐大的散熱器的要求的限制。

圖 1：電鍍和銅幣

銅填充通孔

無(wú)鉛且符合 RoHs，Kuprion 的銅配方是一種可流動(dòng)的工程銅膏 - 一種致密且粘稠的銅，在空氣中處理是安全的。該公司的銅填充散熱孔提供了一種直接集成到 PCB 中的高效散熱路徑，直接放置在表面貼裝 IC“熱源”下，允許使用 Kuprion 的表面貼裝銅材料進(jìn)行直接表面貼裝接合，以實(shí)現(xiàn)最大的熱傳遞。

Kuprion 的銅熱通孔膏能夠填充直徑至少為 5 毫米的通孔。熔化后，銅膏會(huì)在不熔化的情況下轉(zhuǎn)化為實(shí)心銅，從而提供大約 110-180 W m-1K-1（CTE 調(diào)整）的熱導(dǎo)率和高達(dá) 290 W m-1K-1 的微導(dǎo)通孔（高達(dá)直徑 2500 萬(wàn)米）。

“我們的技術(shù)提供了多種優(yōu)勢(shì)：由于焊膏在融合過(guò)程中不會(huì)經(jīng)過(guò)液態(tài)階段，因此不會(huì)引起芯吸，實(shí)際上消除了短路，并允許將觸點(diǎn)非?？拷胤胖迷谝黄鹨垣@得最大的 I/O 密度。它還通過(guò)將組件直接連接到散熱孔來(lái)確保顯著降低熱阻，不僅在頂部表面，而且通過(guò) PCB 到背面促進(jìn)有效散熱。您還可以將這些互連非?？拷胤胖迷谝黄?，并且在超過(guò) 500°C 的溫度下是穩(wěn)定的，”Zinn 說(shuō)。

Kuprion 的銅散熱孔提供低溫處理 （235°C） 和高溫操作 （》300°C）。該材料在偏壓和/或溫度下不會(huì)降解或遷移，并提供約 110-290 W/mK 的高導(dǎo)熱率，具體取決于撥入的特定 CTE。其他特性包括： 1000 次循環(huán)的熱沖擊穩(wěn)定性（-30 °C 至 + 200 °C），以及與 rt 剪切強(qiáng)度相似的熱剪切強(qiáng)度 （260°C / 20 秒）。

Kuprion 的熱通孔銅技術(shù)利用其工程銅材料的 CTE（熱膨脹系數(shù)）調(diào)諧能力（5-17 ppm 范圍）來(lái)減輕 CTE 不匹配，否則在使用標(biāo)準(zhǔn)銅幣技術(shù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致翹曲和其他可靠性問(wèn)題。

“現(xiàn)在，重點(diǎn)更多地放在 PCB 級(jí)，但它是設(shè)備級(jí)應(yīng)用。一種被廣泛考慮的技術(shù)是開(kāi)發(fā)使用銅柱而不是球柵區(qū)域，在封裝級(jí)別獲得非常高密度的互連，因此您可以擁有小型集成系統(tǒng)，可以放在電路上并具有更高的密度，小得多的系統(tǒng)。迄今為止，我們?yōu)闊嵬诇y(cè)得的最大值為每米開(kāi)爾文 290 瓦，”Zinn 說(shuō)。

圖 2：Kuprion 的銅填充通孔

圖 3：Kuprion 工程銅材料的熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率

“高功率運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致高結(jié)溫和組件溫度，這就是熱膨脹導(dǎo)致可靠性問(wèn)題的地方。因?yàn)槲覀兛梢允褂媚承┨砑觿┰趶V泛的范圍內(nèi)定制材料的熱膨脹，所以我們能夠?qū)⑵渑c Si、GaN 和 SiC 等半導(dǎo)體材料相匹配，并且我們能夠取代典型的鎢銅散熱器和散熱器用于避免這些問(wèn)題。現(xiàn)在，使用我們的銅，您可以擁有更輕的材料，幾乎相當(dāng)于四分之一的密度，例如，這對(duì)航空航天應(yīng)用尤其重要。它也更容易加工，因?yàn)椴牧细彳洠盳inn 說(shuō)。

“對(duì)于大功率，尤其是大電流，您需要非常好的導(dǎo)電性和低電阻，這樣您的系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)熱，并且您可以承載高功率密度。另一個(gè)需要考慮的材料特性是當(dāng)你有這些高電流時(shí)是遷移。而目前燒結(jié)銀的使用越來(lái)越多。銀的缺點(diǎn)是它在增加的磁場(chǎng)下很容易遷移，并且容易產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致短路的小枝晶，而銅則不會(huì)，”Zinn 說(shuō)。

Kuprion 目前正在擴(kuò)大其可靠性測(cè)試，例如熱沖擊和振動(dòng)，同時(shí)建立大規(guī)模生產(chǎn)流程以實(shí)施它，本季度已接受訂單。Kuprion 的銅填充散熱孔非常適合高級(jí)高功率應(yīng)用，例如 5G 收發(fā)器/功率放大器、工業(yè) LED、顯卡、數(shù)據(jù)服務(wù)器、路由器和汽車(chē)照明。