使用燒結銅的功率元件封裝技術 可靠性提高10倍

　　日立制作所在“PCIMEurope2016”并設的會議上發表了使用燒結銅的功率元件封裝技術。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。