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使用燒結銅的功率元件封裝技術 可靠性提高10倍

2016-05-20

日立制作所在“PCIMEurope2016”并設的會議上發表了使用燒結銅功率元件封裝技術。該技術的特點是,雖為無鉛封裝材料,但可降低材料成本并提高可靠性

  對作為可靠性指標的“功率循環耐受量”實施測定的結果顯示,循環次數達到了以往含鉛焊錫的10倍以上。具體來說,在功率元件最大結溫(Tjmax)為175℃、ΔTj為125℃的條件下實施功率循環試驗時,以往的含鉛焊錫最高為5萬次,而使用燒結銅時達到55萬次。在實施-40℃至+200℃的熱循環試驗時,循環次數達到1000次也未出現問題。

  另外,無鉛化進程尚未完成的高輸出功率模塊(如鐵路列車用模塊)也要求使用無鉛焊錫,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率較高的金、銀、銅等。其中最為普遍的是對銀納米材料實施燒結的焊料。

  將銅納米顆粒化

  而日立選擇的是銅。由于銅的熱膨脹系數低且楊氏模量高,因此該公司認為其機械可靠性出色,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,銅的熔點高達1100℃左右,直接以塊狀使用時,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,通過施加溫度和壓力實施燒結來封裝。

  憑借上述措施,物性可達到與塊狀銅同等的水平,保持穩定狀態。具體的燒結條件并未公布,不過據發表資料的介紹,估計是在約250℃至400℃之 間實施封裝的。因為文中提到,在達到約250℃以上溫度后,燒結后的接合強度為20MPa,可達到實用水平(在鍍鎳的銅上封裝功率元件后實施剪切測試的結 果)。

  無需鍍金(Au)

  可比鎳實現更高的接合強度也是燒結銅的一個優點。使用普通含鉛焊錫時,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,在鍍金層與絕緣基板之間存在含鉛焊錫。并且,使用燒結銀時也是如此。

  而使用燒結銅時無需鍍金,可直接接合鎳電極與絕緣基板。其中一個原因是銅與鎳的晶格常數接近,因此容易實現方位匹配。由于可減少鍍金,因此有助于降低成本。

  此次將燒結銅用于功率模塊,結果顯示該模塊可順利實現開關工作。模塊的耐壓為3.3kV,額定電流為1800A。功率元件的最大結溫設定為175℃。

  此次開發的燒結銅主要用于鐵路列車的功率模塊。日立并未公布將燒結銅用于功率模塊產品的時間表,不過在PCIMEurope的會議上,有很多技術發表都瞄準1~3年后的實用化,因此燒結銅技術也有望早日投入實用。

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