铜在电力电子中的广泛应用

前言

对于功率半导体器件来说，硅是最常见的元素，然而由于铜的高导电性，对于印刷电路板（PCB）和陶瓷基板上的基板来说，铜是最佳选择。由于铜的导热率，所以铜成为基板和散热底板最常用的材料。而且，铜对于功率器件的金属化和互连来说非常重要。日益增加的能量密度、载流能力和可靠性要求也是铜在本行业中广泛使用的原因。铜具有以下优点：易于获得、相对便宜，且供应稳定。

铜和铝的比较

根据具体应用，铝是铜的最佳替代品。例如，在散热底板中，铝与铜相比，更便宜、更轻，所以铝是首选材料。但是，对于导热率比减重更重要的某些应用，铜是更理想的材料。在室温条件下，铜的导热率为400 W/m-K，而铝的导热率为235 W/m-K。因此，在所有其它因素相同的条件下，铜制散热底板的散热效果优于铝制散热底板。所以，许多带有集成铜扰流柱散热底板的功率模块目前已被市场认可，并成功用于混合动力和电动车辆领域。

铝和铝合金被广泛用于芯片金属化。它们的电阻较低，且在硅和氧化硅层上有良好粘附性。尽管如此，由于铜具有更好的导热及导流能力，芯片领域已经引入铜金属化技术来代替铝金属化。电阻率较低能使单位面积的电流较高，且单位电流发热量较少，而且较高的导热率能更有效地散热。这两个明显优点使铜的电流更高、紧凑化效果更好。不足的是，在干法蚀刻工艺中，铜不像铝一样易于蚀刻化。所以，不是所有芯片都使用铜金属化处理。而且，由于成本和应力问题，铜金属化厚度只能在5 μm 和10 μm之间，不过层厚越大越能保障更大的电流驱动能力、更高的热容量和散热能力。虽然，可能有一些变通方案，如丹佛斯公司利用其键合缓冲技术，将一个薄铜箔熔结到芯片顶部。

将铜用于标准芯片金属化处理的另一个驱动因素是可靠性。在最先进的功率模块中发生的故障的主要原因是键合线脱落。因此，已经研发了将多个芯片互连接入功率模块的新方案，以代替传统铝线。许多方案依赖于不同形状和几何结构的铜材料：铜线、铜带、铜柱、铜快接或铜框架，这些可以锡焊、烧结或焊接到芯片上。其它方案包括平面互连和芯片嵌入技术，在这些技术中，顶部电极触点通过铜通孔连接起来。

重铜不再足够厚重

尽管某些基板仍采用铝金属化处理，PCB内外层导线和陶瓷基板主要使用铜。

铜厚度可以规定为以盎司为单位的每平方英尺的铜重量（oz/ft²）。市场上最常见的PCB是为低功率应用生产制造的，其铜导线用重量不小于0.5 oz/ft² （18 µm）且不超过3 oz/ft² （105 µm）铜制成的。对于大功率应用，厚实的铜电路可以用重量在4 oz/ft² （140 µm）和 20 oz/ft² （686 µm）之间的铜制作。铜重量也可以超过20 oz/ft²，这种铜被称为极度铜。

尤其是，直接键合铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）基板被用于将多个功率器件并联安装到一个模块上，以实现规定应用要求的额定功率。可以获得铜厚度127 µm到800 µm的这种基板。但是，功率模块也确实有微型化趋势。因此，模块制造商日益增加对半导体和封装技术的要求，以便进一步提高现有或更小元器件封装的输出功率。而且，因为性能提高不应影响成本和可靠性，所以基板和底板或散热底板必须用新的连接技术，或最好集成到一个组件中。因此最终促使铜层厚度超过1mm的基板的研发。

通常，厚铜层利用和标准铜层一样的湿法化学蚀刻工艺生产制作。因为其各向同性的特征，湿法化学蚀刻不适合制作厚铜层，否则会造成导线之间有较大沟槽，而客户需要较窄沟槽，以减少模块封装尺寸。因此，必须研发专门的构建技术，来实现小间隙、直侧壁和可忽略不计的底部内切。