銅在電力電子中的廣泛應用

前言

對于功率半導體器件來說，硅是最常見的元素，然而由于銅的高導電性，對于印刷電路板（PCB）和陶瓷基板上的基板來說，銅是最佳選擇。由于銅的導熱率，所以銅成為基板和散熱底板最常用的材料。而且，銅對于功率器件的金屬化和互連來說非常重要。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：易于獲得、相對便宜，且供應穩(wěn)定。

銅和鋁的比較

根據(jù)具體應用，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，對于導熱率比減重更重要的某些應用，銅是更理想的材料。在室溫條件下，銅的導熱率為400 W/m-K，而鋁的導熱率為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認可，并成功用于混合動力和電動車輛領域。

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熱及導流能力，芯片領域已經(jīng)引入銅金屬化技術來代替鋁金屬化。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，而且較高的導熱率能更有效地散熱。這兩個明顯優(yōu)點使銅的電流更高、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，由于成本和應力問題，銅金屬化厚度只能在5 μm 和10 μm之間，不過層厚越大越能保障更大的電流驅動能力、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，將一個薄銅箔熔結到芯片頂部。

將銅用于標準芯片金屬化處理的另一個驅動因素是可靠性。在最先進的功率模塊中發(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構的銅材料：銅線、銅帶、銅柱、銅快接或銅框架，這些可以錫焊、燒結或焊接到芯片上。其它方案包括平面互連和芯片嵌入技術，在這些技術中，頂部電極觸點通過銅通孔連接起來。

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）。市場上最常見的PCB是為低功率應用生產(chǎn)制造的，其銅導線用重量不小于0.5 oz/ft2 （18 μm）且不超過3 oz/ft2 （105 μm）銅制成的。對于大功率應用，厚實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20 oz/ft2，這種銅被稱為極度銅。

尤其是，直接鍵合銅（DBC）和活性金屬釬焊（AMB）基板被用于將多個功率器件并聯(lián)安裝到一個模塊上，以實現(xiàn)規(guī)定應用要求的額定功率。可以獲得銅厚度127 μm到800 μm的這種基板。但是，功率模塊也確實有微型化趨勢。因此，模塊制造商日益增加對半導體和封裝技術的要求，以便進一步提高現(xiàn)有或更小元器件封裝的輸出功率。而且，因為性能提高不應影響成本和可靠性，所以基板和底板或散熱底板必須用新的連接技術，或最好集成到一個組件中。因此最終促使銅層厚度超過1mm的基板的研發(fā)。

通常，厚銅層利用和標準銅層一樣的濕法化學蝕刻工藝生產(chǎn)制作。因為其各向同性的特征，濕法化學蝕刻不適合制作厚銅層，否則會造成導線之間有較大溝槽，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)專門的構建技術，來實現(xiàn)小間隙、直側壁和可忽略不計的底部內(nèi)切。