使用燒結(jié)銅的功率元件封裝技術(shù) 可靠性提高10倍

　　日立制作所在“PCIMEurope2016”并設(shè)的會(huì)議上發(fā)表了使用燒結(jié)銅的功率元件封裝技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是，雖為無(wú)鉛封裝材料，但可降低材料成本并提高可靠性。

　　對(duì)作為可靠性指標(biāo)的“功率循環(huán)耐受量”實(shí)施測(cè)定的結(jié)果顯示，循環(huán)次數(shù)達(dá)到了以往含鉛焊錫的10倍以上。具體來(lái)說(shuō)，在功率元件最大結(jié)溫(Tjmax)為175℃、ΔTj為125℃的條件下實(shí)施功率循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，以往的含鉛焊錫最高為5萬(wàn)次，而使用燒結(jié)銅時(shí)達(dá)到55萬(wàn)次。在實(shí)施-40℃至+200℃的熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次也未出現(xiàn)問(wèn)題。

　　另外，無(wú)鉛化進(jìn)程尚未完成的高輸出功率模塊(如鐵路列車(chē)用模塊)也要求使用無(wú)鉛焊錫，并且，隨著功率模塊的輸出功率密度逐年提高，功率元件的工作溫度也在不斷上升，因此要求使用可靠性高的焊材。作為候選的材料有熱導(dǎo)率較高的金、銀、銅等。其中最為普遍的是對(duì)銀納米材料實(shí)施燒結(jié)的焊料。

　　將銅納米顆?；?/p>

　　而日立選擇的是銅。由于銅的熱膨脹系數(shù)低且楊氏模量高，因此該公司認(rèn)為其機(jī)械可靠性出色，因此采用了銅。另外，材料成本低也是選擇銅的原因之一。

　　不過(guò)，銅的熔點(diǎn)高達(dá)1100℃左右，直接以塊狀使用時(shí)，很難作為封裝材料。因此，日立決定將銅制成表面能量高的納米顆粒狀來(lái)使用。將納米顆粒化的銅涂在功率元件與功率元件下方的絕緣板之間，通過(guò)施加溫度和壓力實(shí)施燒結(jié)來(lái)封裝。

　　憑借上述措施，物性可達(dá)到與塊狀銅同等的水平，保持穩(wěn)定狀態(tài)。具體的燒結(jié)條件并未公布，不過(guò)據(jù)發(fā)表資料的介紹，估計(jì)是在約250℃至400℃之間實(shí)施封裝的。因?yàn)槲闹刑岬?，在達(dá)到約250℃以上溫度后，燒結(jié)后的接合強(qiáng)度為20MPa，可達(dá)到實(shí)用水平(在鍍鎳的銅上封裝功率元件后實(shí)施剪切測(cè)試的結(jié)果)。

　　無(wú)需鍍金(Au)

　　可比鎳實(shí)現(xiàn)更高的接合強(qiáng)度也是燒結(jié)銅的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。使用普通含鉛焊錫時(shí)，是在功率元件的鎳電極上施以鍍金處理后再封裝到絕緣基板上的。也就是說(shuō)，在鍍金層與絕緣基板之間存在含鉛焊錫。并且，使用燒結(jié)銀時(shí)也是如此。

　　而使用燒結(jié)銅時(shí)無(wú)需鍍金，可直接接合鎳電極與絕緣基板。其中一個(gè)原因是銅與鎳的晶格常數(shù)接近，因此容易實(shí)現(xiàn)方位匹配。由于可減少鍍金，因此有助于降低成本。

　　此次將燒結(jié)銅用于功率模塊，結(jié)果顯示該模塊可順利實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)工作。模塊的耐壓為3.3kV，額定電流為1800A。功率元件的最大結(jié)溫設(shè)定為175℃。

　　此次開(kāi)發(fā)的燒結(jié)銅主要用于鐵路列車(chē)的功率模塊。日立并未公布將燒結(jié)銅用于功率模塊產(chǎn)品的時(shí)間表，不過(guò)在PCIMEurope的會(huì)議上，有很多技術(shù)發(fā)表都瞄準(zhǔn)1～3年后的實(shí)用化，因此燒結(jié)銅技術(shù)也有望早日投入實(shí)用。