单片机解密实现更高的接合强度
单片机解密实现更高的接合强度,可比镍实现更高的接合强度也是烧结铜的一个优点。使用单片机解密时,是在功率元件的单片机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。
而使用单片机解密时无需镀金,可直接接合镍电极与绝缘基板。其中一个原因是单片机解密的晶格常数接近,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。
对作为可靠性指标的“单片机解密”实施测定的结果显示,解密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℃的热解密试验时,解密次数达到1000次也未出现问题。
另外,单片机解密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。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,单片机解密决定将铜制成表面能量高的纳米颗粒状来使用。将单片机解密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(在单片机解密的铜上封装功率元件后实施剪切测试的结果)。
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