彻底改变电力电子器件封装，散热效果提高 15 倍，可靠性更高
电力电子行业正面临着这样一个问题：随着晶体管处理功率的增加以满足新应用的需要，封装将越来越难以去除裸片上的废热。创新型电力电子公司 QPT 刚刚申请了一项专利，采用一种新颖的方法将裸片连接到散热器或基板（通常是氮化铝（AlN））上，该公司称之为 qAttach™。这种方法能更好地将热量从芯片传导出去，同时还能提高可靠性，因为组装过程对基板的应力较小，而这正是大功率半导体封装行业面临的最大挑战之一。
QPT 开发了这种新型 qAttach 工艺，用于其电机控制设计中使用的氮化镓（GaN）晶体管，使其能够处理因大功率、高电压和高频率应用而产生的大量废热。目前生产的氮化镓晶体管额定电压很高，但高压晶体管的芯片尺寸相对较小，这意味着可用于散热的表面积较小。qAttach 解决了这一问题，因为现在可以从芯片中有效地带走更多的热量，从而避免过热。这使得氮化镓现在可以有效地用于汽车、工业电机等下一代高功率、高电压应用，并最终实现低成本、高电压氮化镓晶体管的承诺。
QPT公司首席技术官Rob Gwynne说："目前的附着方法存在的问题是，将芯片固定在基板上的烧结层通常有30到60微米厚，这会形成热障，阻碍芯片的热量传递。我们采用其他领域可靠、成熟的技术，以一种新颖的方式制造出qAttach附着层，其厚度可能只有几分之一微米。隔热层厚度的大幅降低意味着我们的解决方案在将废热从芯片中转移出去方面的性能提高了十倍。随着工艺的不断完善，我们期待通过该层获得更好的热传导率。
Gwynne 解释说，在传统方法中，芯片的热量必须穿过厚厚的烧结层到达基板，再通过散热器散发出去，如图 1 所示。印刷电路板附着在顶部（在嵌入式封装中则附着在散热器周围），因此散热效果很差。图 2 中 QPT 的新结构是由散热器、基板、qAttach 层、芯片、qAttach 层、基板和散热器组成的夹层，PCB 板环绕在结构的两侧。由于 qAttach 层超薄，热量可以更快地传递出去，而且现在还可以从芯片顶部进行传递，从而将总散热率提高了 15 倍。
与目前的烧结工艺相比，这项名为 qAttach 的技术还有其他改进之处。首先，由于不需要施加烧结所需的巨大力量，基底可以薄得多。更薄的基底可以大大降低热阻，进一步帮助热量向散热器传递。
其次，该工艺所需的压力较低，这意味着模具上的制造应力较小。这就降低了器件失效的可能性，这对可靠性要求较高的汽车公司尤为重要。
第三，超薄qAttach层不是层状薄片。它有一个专有的几何形状，加热时主要限制在 Z 轴（垂直于 qAttach 层）上的膨胀，因此附着层不会从模具和基板上分层，而这正是当前附着方法的一个主要问题。这是因为烧结方法的传统连续薄片的热膨胀率大约是芯片的七倍，是氮化铝基底的三倍。这些不同的膨胀率会在大型功率晶片的长度上产生相当大的应力，从而导致结构在受热时撕裂。这种分层是功率封装出现故障的最大原因，因此这种新方法进一步提高了组装设备的可靠性。
Gwynne总结说："我们的新型qAttach工艺是一种通用解决方案，可以解决日益严重的去除余热问题，否则这一问题将阻碍下一代电力电子产品的开发。qAttach 能够将芯片的传热提高 15 倍，也可用于解决几乎所有其他类型晶体管（如碳化硅 (SiC)）的余热去除问题，使它们能够处理比目前更高的功率负载。我们已经有几家领先的跨国公司有意获得这一工艺的许可，因为他们看到了这一创新将为其产品线带来的战略利益。
关于量子电源转换（QPT）有限公司
QPT™ 于 2019 年在剑桥成立，是一家独立的电力电子公司，专门开发高性能、高效率和高成本效益的解决方案，以解决使用氮化镓晶体管进行设计所面临的挑战。
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