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

Kuprion 的銅填充散熱孔解決了復雜、先進的高性能系統(tǒng)在散熱和功耗方面日益增加的可靠性需求。Zinn 說，Kuprion 的銅填充技術是一種簡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，打開第二個散熱管道，使冷卻速度加倍。

PCB熱管理

集成電路產(chǎn)生的熱量帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到當今更高的速度、更小的電路板表面積以及 PCB 上的許多設備。這些需求需要解決方案來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?shù)?熱管理 對于將每個組件保持在安全溫度范圍內是必要的 。結溫絕不能超過制造商數(shù)據(jù)表中指示的限制（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個元件產(chǎn)生的熱量通過封裝和連接引腳傳遞到外部。近年來，電子元件制造商制造了越來越多的熱兼容封裝。即使有了這些封裝的進步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越復雜。

氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等寬帶隙半導體 （WBG） 的日益普及使組件能夠實現(xiàn)比硅基技術更高的工作溫度和功率輸出。然而，這并沒有消除對仔細熱管理的需要，以均勻分布產(chǎn)生的熱量，以避免形成危險的“熱點”并最大限度地減少功率損失。

用于改進 PCB 熱管理的 兩種主要技術包括 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引導到其他層。

FR4 不提供高熱導率，當前電鍍和銅幣技術受到緩慢制造過程和對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

無鉛且符合 RoHs，Kuprion 的銅配方是一種可流動的工程銅膏 - 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行直接表面貼裝接合，以實現(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，銅膏會在不熔化的情況下轉化為實心銅，從而提供大約 110-180 W m-1K-1（CTE 調整）的熱導率和高達 290 W m-1K-1 的微導通孔（高達直徑 2500 萬米）。

“我們的技術提供了多種優(yōu)勢：由于焊膏在融合過程中不會經(jīng)過液態(tài)階段，因此不會引起芯吸，實際上消除了短路，并允許將觸點非?？拷胤胖迷谝黄鹨垣@得最大的 I/O 密度。它還通過將組件直接連接到散熱孔來確保顯著降低熱阻，不僅在頂部表面，而且通過 PCB 到背面促進有效散熱。您還可以將這些互連非?？拷胤胖迷谝黄穑⑶以诔^ 500°C 的溫度下是穩(wěn)定的，”Zinn 說。

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/或溫度下不會降解或遷移，并提供約 110-290 W/mK 的高導熱率，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 剪切強度相似的熱剪切強度 （260°C / 20 秒）。

Kuprion 的熱通孔銅技術利用其工程銅材料的 CTE（熱膨脹系數(shù)）調諧能力（5-17 ppm 范圍）來減輕 CTE 不匹配，否則在使用標準銅幣技術時會導致翹曲和其他可靠性問題。

“現(xiàn)在，重點更多地放在 PCB 級，但它是設備級應用。一種被廣泛考慮的技術是開發(fā)使用銅柱而不是球柵區(qū)域，在封裝級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得的最大值為每米開爾文 290 瓦，”Zinn 說。

圖 2：Kuprion 的銅填充通孔

圖 3：Kuprion 工程銅材料的熱導率和擴散率

“高功率運行會導致高結溫和組件溫度，這就是熱膨脹導致可靠性問題的地方。因為我們可以使用某些添加劑在廣泛的范圍內定制材料的熱膨脹，所以我們能夠將其與 Si、GaN 和 SiC 等半導體材料相匹配，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題。現(xiàn)在，使用我們的銅，您可以擁有更輕的材料，幾乎相當于四分之一的密度，例如，這對航空航天應用尤其重要。它也更容易加工，因為材料更柔軟，”Zinn 說。

“對于大功率，尤其是大電流，您需要非常好的導電性和低電阻，這樣您的系統(tǒng)就不會發(fā)熱，并且您可以承載高功率密度。另一個需要考慮的材料特性是當你有這些高電流時是遷移。而目前燒結銀的使用越來越多。銀的缺點是它在增加的磁場下很容易遷移，并且容易產(chǎn)生會導致短路的小枝晶，而銅則不會，”Zinn 說。

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