使用烧结铜的功率元件封装技术 可靠性提高10倍

　　日立制作所在“PCIM Europe 2016”并设的会议上发表了使用烧结铜的功率元件封装技术。该技术的特点是，虽为无铅封装材料，但可降低材料成本并提高可靠性。

　　对作为可靠性指标的“功率循环耐受量”实施测定的结果显示，循环次数达到了以往含铅焊锡的10倍以上。具体来说，在功率元件最大结温（Tjmax）为175℃、ΔTj为125℃的条件下实施功率循环试验时，以往的含铅焊锡最高为5万次，而使用烧结铜时达到55万次。在实施-40℃至+200℃的热循环试验时，循环次数达到1000次也未出现问题。

　　另外，无铅化进程尚未完成的高输出功率模块（如铁路列车用模块）也要求使用无铅焊锡，并且，随着功率模块的输出功率密度逐年提高，功率元件的工作温度也在不断上升，因此要求使用可靠性高的焊材。作为候选的材料有热导率较高的金、银、铜等。其中最为普遍的是对银纳米材料实施烧结的焊料。

　　将铜纳米颗粒化

　　而日立选择的是铜。由于铜的热膨胀系数低且杨氏模量高，因此该公司认为其机械可靠性出色，因此采用了铜。另外，材料成本低也是选择铜的原因之一。

　　不过，铜的熔点高达1100℃左右，直接以块状使用时，很难作为封装材料。因此，日立决定将铜制成表面能量高的纳米颗粒状来使用。将纳米颗粒化的铜涂在功率元件与功率元件下方的绝缘板之间，通过施加温度和压力实施烧结来封装。

　　凭借上述措施，物性可达到与块状铜同等的水平，保持稳定状态。具体的烧结条件并未公布，不过据发表资料的介绍，估计是在约250℃至400℃之间实施封装的。因为文中提到，在达到约250℃以上温度后，烧结后的接合强度为20MPa，可达到实用水平（在镀镍的铜上封装功率元件后实施剪切测试的结果）。

　　无需镀金（Au）

　　可比镍实现更高的接合强度也是烧结铜的一个优点。使用普通含铅焊锡时，是在功率元件的镍电极上施以镀金处理后再封装到绝缘基板上的。也就是说，在镀金层与绝缘基板之间存在含铅焊锡。并且，使用烧结银时也是如此。

　　而使用烧结铜时无需镀金，可直接接合镍电极与绝缘基板。其中一个原因是铜与镍的晶格常数接近，因此容易实现方位匹配。由于可减少镀金，因此有助于降低成本。

　　此次将烧结铜用于功率模块，结果显示该模块可顺利实现开关工作。模块的耐压为3.3kV，额定电流为1800A。功率元件的最大结温设定为175℃。

　　此次开发的烧结铜主要用于铁路列车的功率模块。日立并未公布将烧结铜用于功率模块产品的时间表，不过在PCIM Europe的会议上，有很多技术发表都瞄准1～3年后的实用化，因此烧结铜技术也有望早日投入实用。