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Die Shimadzu Corporation hat in gemeinsamer Forschung mit dem Institut für Füge- und Schweißtechnik der Universität Osaka (Ibaraki, Präfektur Osaka; Professor Masahiro Tsukamoto) und der DOWA POWER DEVICE Co., Ltd. (Shiojiri, Präfektur Nagano), einem Tochterunternehmen der DOWA HOLDINGS Co., Ltd., Kupfer-Aluminiumnitrid (Cu-AlN)-Substrate, die mittels additiver Fertigung mit mehreren Strahlen hergestellt wurden, erfolgreich in die Praxis eingeführt. Dies ist die weltweit erste Technologie zur direkten Beschichtung eines Aluminiumnitrid (AlN)-Substrats mit Kupferelektroden durch gleichzeitiges Aufbringen von Kupferpulver auf das Substrat und Bestrahlung mit einem blauen Diodenlaser. Dabei wird auf Silber verzichtet, welches Isolationsfehler verursachen kann. Neben Leistungshalbleiterbauelementen wird die Technologie voraussichtlich auch in einer Vielzahl anderer Bereiche Anwendung finden, beispielsweise in der optischen Kommunikation, bei Kommunikationssatelliten, KI-Servern und medizinischen Lasern.

Mit der Weiterentwicklung von Hochleistungs-Leistungshalbleiterbauelementen steigt der Bedarf an Technologien zur effizienten Wärmeableitung. Cu-AlN, eine Verbindung aus Kupfer und Aluminiumnitrid, vereint hervorragende Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolationseigenschaften und dient hauptsächlich als isolierendes Substrat zur Wärmeableitung für Leistungshalbleiterbauelemente. Konventionelle Bondverfahren nutzen in der Regel Hochtemperaturbonden mit silberhaltigen Lötmaterialien. Diese Verfahren bringen jedoch Herausforderungen mit sich, darunter lange Fertigungszeiten, Eigenspannungen*1 und die Auswirkungen der Silbermigration*2 auf die Isolationszuverlässigkeit.

Neues Fügeverfahren (rechts) auf Basis von Mehrstrahl-Additivfertigung erfolgreich in der Praxis eingesetzt
Im Gegensatz zum herkömmlichen Fügeverfahren mittels Aktivmetalllöten (links) ermöglicht das neue Verfahren das direkte Verbinden von Kupfer ohne Verwendung von Lötmaterial.

Die drei Partner forschen seit November 2022 gemeinsam. Shimadzu entwickelte dabei das Kupferbeschichtungssystem mit blauen Diodenlasern und die zugehörigen Fertigungsprozesse. Das von Shimadzu und den Partnern entwickelte Mehrstrahl-Verfahren ermöglicht die direkte Verbindung von Kupferschaltungen beliebiger Form mit Keramik ohne Silberzusatz. So entstehen starke Verbindungen mit geringen Eigenspannungen. Blaue Diodenlaser eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von reinem Kupfer, da Metalle blaues Laserlicht hocheffizient absorbieren. Neben der hohen Wärmeableitung ist die Temperaturwechselbeständigkeit*3 mehr als dreimal so hoch wie bei herkömmlichen Substraten. Die 3D-Additive-Manufacturing-Technologie ermöglicht zudem die Herstellung feinster Linienstrukturen und komplexer Schaltungsformen. Neben Leistungshalbleiterbauelementen wird der Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, darunter optische Kommunikationsgeräte und KI-Server, evaluiert, wo hohe Verdrahtungsdichte und Miniaturisierung erforderlich sind.

• *1 Die Restspannung ist die Kraft, die nach dem Verbinden oder Bearbeiten im Material verbleibt. Übermäßige Restspannungen können zu Verformungen des Substrats, Rissen und Delaminationen an den Verbindungsstellen führen.
• *2 Ein Phänomen, bei dem Silber unter hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit oder hohen Spannungen wandert und unbeabsichtigte leitfähige Pfade bildet. Dies kann die Isolationszuverlässigkeit elektronischer Bauteile und Substrate beeinträchtigen.
• *3 Die Fähigkeit von Substraten und Klebeflächen, wiederholter Einwirkung niedriger und hoher Temperaturen ohne Beeinträchtigung standzuhalten. Sie ist ein wichtiger Indikator zur Bewertung der Langzeitzuverlässigkeit von Wärmeableitungssubstraten in Leistungsmodulen.

Verfahren zum Beschichten eines Aluminiumnitrid-(AlN)-Substrats mit Kupferelektroden mittels eines blauen Diodenlasers zur Herstellung eines Kupfer-Aluminiumnitrid-(Cu-AlN)-Substrats

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