La sinterización de cobre está surgiendo como una alternativa más económica, confiable y sustentable a la plata para la unión de semiconductores de banda prohibida ancha.
En el sector de semiconductores de potencia de voltaje medio a alto, que hace posibles los vehículos eléctricos, las redes de telecomunicaciones, la infraestructura energética y la innovación industrial, los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), van camino a superar al silicio (Si) en semiconductores discretos de potencia, módulos de potencia y dispositivos de RF. Su tasa de crecimiento anual proyectada de más del 13 % durante los próximos años es prueba de la superioridad de rendimiento de los WBG para aplicaciones de alta potencia, alta temperatura y alta frecuencia, donde ofrecen una eficiencia excepcional, excelente conductividad térmica y voltajes de ruptura más altos, lo que los hace indispensables para tecnologías de vanguardia en mercados de alto riesgo.
Para aprovechar plenamente el potencial de rendimiento de los semiconductores WBG, los materiales de die attach que unen los semiconductores a sus paquetes deben ser capaces de soportar de manera rentable el alto calor de WBG y garantizar una transferencia de potencia eficiente. Debido a sus comprobadas ventajas de conductividad térmica y eléctrica, la sinterización (donde las partículas se unen mediante calor y presión en una capa sólida de metal) se ha convertido en el método preferido de unión de troquel/sustrato frente a la soldadura tradicional, ya que puede proporcionar conductividades térmicas excepcionalmente altas y soportar los entornos operativos de alta temperatura (>200° C) a los que se enfrentan los dispositivos WBG en algunas aplicaciones. Podría decirse que la sinterización de plata es el estándar de la industria, pero los nuevos desarrollos en materiales de sinterización de cobre asistida por presión están desafiando el dominio de la sinterización de plata y tienen el potencial de reconfigurar el mercado de semiconductores WBG.
La alta conductividad térmica de la plata (430 W/m-K) y su rendimiento eléctrico son la razón por la que tradicionalmente se ha preferido para sinterizar dispositivos WBG, aunque tiene un precio superior. Sin embargo, el cobre ofrece una conductividad térmica similar, cercana a 400 W/m-K, y una conductividad eléctrica solo ligeramente inferior a la de la plata. Esta paridad de rendimiento a un menor costo, combinada con otras ventajas del cobre, está impulsando el desarrollo de materiales de sinterización a base de cobre que compiten con las ventajas de la plata — y en algunos casos las superan —. Estos incluyen:
Las uniones sinterizadas de cobre exhiben una excelente resistencia mecánica, manteniendo la integridad estructural a través de ciclos térmicos, lo cual es fundamental para aplicaciones de alta confiabilidad como las automotrices y aeroespaciales, donde la exposición prolongada a altas temperaturas, humedad y estrés es la norma. En comparación con la plata, el cobre demuestra resistencia a la electromigración, ayudando a minimizar la posibilidad de un deterioro del rendimiento a largo plazo. Finalmente, la mayor resistencia a la tracción del cobre y su menor coeficiente de expansión térmica (CTE) aumentan su potencial para ofrecer una mejor confiabilidad que los materiales a base de plata.
El cobre es notoriamente más económico que la plata, con la capacidad de ofrecer un menor costo de propiedad en operaciones de producción de gran volumen. Además de su ventaja en costos, el cobre es un material sustentable. La minería del cobre tiene un menor impacto medioambiental que la de la plata, es más abundante y reciclable. Por último, se ha demostrado que los procesos de sinterización de cobre requieren menos energía que la sinterización de plata.
Históricamente, los desafíos de los materiales a base de cobre se han centrado en la dificultad de su sinterización. Las formulaciones de generaciones anteriores requerían temperaturas más altas y presiones más altas que los materiales de plata para lograr una sinterización completa, lo que generaba posibles daños a los dados y sustratos. Sin embargo, los avances en los entornos de sinterización y los enfoques innovadores de formulación están mitigando estas preocupaciones, lo que permite una sinterización completa del cobre sin necesidad de presión y temperatura excesivas. Por ejemplo, el nuevo material de sinterización de cobre asistida por presión de Henkel está diseñado para superar muchas de las deficiencias de las fórmulas convencionales de sinterización de cobre.
Este material innovador, que aprovecha la tecnología patentada de relleno de cobre, ofrece una atractiva ventaja en costo de propiedad frente a las fórmulas con relleno de plata, brindando una conductividad térmica superior a 300 W/m-K, menores requisitos de presión (10-15 MPas) y temperatura (200° C – 250° C) para reducir el estrés del troquel, y un tiempo de procesamiento más rápido para adaptarse a la producción en masa. La nueva fórmula de sinterización asistida por presión es especialmente adecuada para aplicaciones actuales y de próxima generación de SiC, como los módulos de potencia, lo que garantiza una alta confiabilidad y un rendimiento comparable al de las soluciones de sinterización a base de plata sin el riesgo de dañar el troquel o el sustrato debido a la presión y temperatura que requieren otros materiales para lograr una sinterización completa.
A medida que los semiconductores WBG evolucionan, los materiales de sinterización de mayor rendimiento y rentables, que pueden permitir dispositivos actuales y de próxima generación con alta capacidad térmica y eléctrica, así como parámetros de procesamiento más delicados para mitigar posibles daños en los dispositivos y preservar altos rendimientos, ayudarán a cerrar el hueco entre precio y rendimiento. Las nuevas formulaciones de sinterización de cobre tienen el potencial de superar a los materiales a base de plata y ofrecer a los fabricantes una ventaja innovadora, competitiva, sustentable y rentable que puede brindar la confiabilidad a largo plazo y el rendimiento excepcional necesarios para el sector de la energía.
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