銅在電力電子中的廣泛應(yīng)用

前言

對(duì)于功率半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，硅是最常見(jiàn)的元素，然而由于銅的高導(dǎo)電性，對(duì)于印刷電路板（PCB）和陶瓷基板上的基板來(lái)說(shuō)，銅是最佳選擇。由于銅的導(dǎo)熱率，所以銅成為基板和散熱底板最常用的材料。而且，銅對(duì)于功率器件的金屬化和互連來(lái)說(shuō)非常重要。日益增加的能量密度、載流能力和可靠性要求也是銅在本行業(yè)中廣泛使用的原因。銅具有以下優(yōu)點(diǎn)：易于獲得、相對(duì)便宜，且供應(yīng)穩(wěn)定。

銅和鋁的比較

根據(jù)具體應(yīng)用，鋁是銅的最佳替代品。例如，在散熱底板中，鋁與銅相比，更便宜、更輕，所以鋁是首選材料。但是，對(duì)于導(dǎo)熱率比減重更重要的某些應(yīng)用，銅是更理想的材料。在室溫條件下，銅的導(dǎo)熱率為400 W/m-K，而鋁的導(dǎo)熱率為235 W/m-K。因此，在所有其它因素相同的條件下，銅制散熱底板的散熱效果優(yōu)于鋁制散熱底板。所以，許多帶有集成銅擾流柱散熱底板的功率模塊目前已被市場(chǎng)認(rèn)可，并成功用于混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域。

鋁和鋁合金被廣泛用于芯片金屬化。它們的電阻較低，且在硅和氧化硅層上有良好粘附性。盡管如此，由于銅具有更好的導(dǎo)熱及導(dǎo)流能力，芯片領(lǐng)域已經(jīng)引入銅金屬化技術(shù)來(lái)代替鋁金屬化。電阻率較低能使單位面積的電流較高，且單位電流發(fā)熱量較少，而且較高的導(dǎo)熱率能更有效地散熱。這兩個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)使銅的電流更高、緊湊化效果更好。不足的是，在干法蝕刻工藝中，銅不像鋁一樣易于蝕刻化。所以，不是所有芯片都使用銅金屬化處理。而且，由于成本和應(yīng)力問(wèn)題，銅金屬化厚度只能在5 μm 和10 μm之間，不過(guò)層厚越大越能保障更大的電流驅(qū)動(dòng)能力、更高的熱容量和散熱能力。雖然，可能有一些變通方案，如丹佛斯公司利用其鍵合緩沖技術(shù)，將一個(gè)薄銅箔熔結(jié)到芯片頂部。

將銅用于標(biāo)準(zhǔn)芯片金屬化處理的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是可靠性。在最先進(jìn)的功率模塊中發(fā)生的故障的主要原因是鍵合線脫落。因此，已經(jīng)研發(fā)了將多個(gè)芯片互連接入功率模塊的新方案，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁線。許多方案依賴于不同形狀和幾何結(jié)構(gòu)的銅材料：銅線、銅帶、銅柱、銅快接或銅框架，這些可以錫焊、燒結(jié)或焊接到芯片上。其它方案包括平面互連和芯片嵌入技術(shù)，在這些技術(shù)中，頂部電極觸點(diǎn)通過(guò)銅通孔連接起來(lái)。

重銅不再足夠厚重

盡管某些基板仍采用鋁金屬化處理，PCB內(nèi)外層導(dǎo)線和陶瓷基板主要使用銅。

銅厚度可以規(guī)定為以盎司為單位的每平方英尺的銅重量（oz/ft2）。市場(chǎng)上最常見(jiàn)的PCB是為低功率應(yīng)用生產(chǎn)制造的，其銅導(dǎo)線用重量不小于0.5 oz/ft2 （18 μm）且不超過(guò)3 oz/ft2 （105 μm）銅制成的。對(duì)于大功率應(yīng)用，厚實(shí)的銅電路可以用重量在4 oz/ft2 （140 μm）和 20 oz/ft2 （686 μm）之間的銅制作。銅重量也可以超過(guò)20 oz/ft2，這種銅被稱(chēng)為極度銅。

尤其是，直接鍵合銅（DBC）和活性金屬釬焊（AMB）基板被用于將多個(gè)功率器件并聯(lián)安裝到一個(gè)模塊上，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定應(yīng)用要求的額定功率?？梢垣@得銅厚度127 μm到800 μm的這種基板。但是，功率模塊也確實(shí)有微型化趨勢(shì)。因此，模塊制造商日益增加對(duì)半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的要求，以便進(jìn)一步提高現(xiàn)有或更小元器件封裝的輸出功率。而且，因?yàn)樾阅芴岣卟粦?yīng)影響成本和可靠性，所以基板和底板或散熱底板必須用新的連接技術(shù)，或最好集成到一個(gè)組件中。因此最終促使銅層厚度超過(guò)1mm的基板的研發(fā)。

通常，厚銅層利用和標(biāo)準(zhǔn)銅層一樣的濕法化學(xué)蝕刻工藝生產(chǎn)制作。因?yàn)槠涓飨蛲缘奶卣鳎瑵穹ɑ瘜W(xué)蝕刻不適合制作厚銅層，否則會(huì)造成導(dǎo)線之間有較大溝槽，而客戶需要較窄溝槽，以減少模塊封裝尺寸。因此，必須研發(fā)專(zhuān)門(mén)的構(gòu)建技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)小間隙、直側(cè)壁和可忽略不計(jì)的底部?jī)?nèi)切。