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Shimadzu Corporation, mediante una investigación conjunta con el Instituto de Investigación de Unión y Soldadura de la Universidad de Osaka (ciudad de Ibaraki, prefectura de Osaka; profesor Masahiro Tsukamoto) y DOWA POWER DEVICE Co., Ltd. (ciudad de Shiojiri, prefectura de Nagano), empresa del grupo DOWA HOLDINGS Co., Ltd., ha logrado implementar con éxito sustratos de nitruro de cobre-aluminio (Cu-AlN) fabricados mediante el método de fabricación aditiva multihaz. Esta es la primera tecnología del mundo para recubrir directamente un sustrato de nitruro de aluminio (AlN) con electrodos de cobre, alimentando simultáneamente polvo de cobre sobre el sustrato e irradiándolo con un láser de diodo azul, sin utilizar plata, que puede provocar fallos de aislamiento. Además de en dispositivos semiconductores de potencia, se prevé que esta tecnología se utilice en una amplia gama de otros campos, como comunicaciones ópticas, satélites de comunicaciones, servidores de IA y láseres médicos.

A medida que se siguen desarrollando dispositivos semiconductores de potencia de alto rendimiento, se requieren cada vez más tecnologías para gestionar eficientemente el calor que generan. El Cu-AlN, en el que el cobre se une al nitruro de aluminio, combina una excelente conductividad térmica y propiedades de aislamiento eléctrico, y se utiliza principalmente como sustrato aislante para la disipación de calor en dispositivos semiconductores de potencia. Los métodos de unión convencionales suelen emplear soldadura a alta temperatura con materiales de soldadura fuerte que contienen plata. Estos métodos presentan desafíos, como largos tiempos de fabricación, tensiones residuales*1 y el impacto de la migración de plata*2 en la fiabilidad del aislamiento.

Nuevo proceso de unión (derecha) basado en fabricación aditiva multihaz puesto en práctica con éxito.
A diferencia del método de unión convencional que utiliza soldadura fuerte con metal activo (izquierda), el nuevo método puede unir cobre directamente sin utilizar material de soldadura fuerte.

Los tres socios han estado colaborando en una investigación conjunta desde noviembre de 2022. Shimadzu se encargó del desarrollo del sistema de recubrimiento de cobre con láseres de diodo azul y de los procesos de fabricación. El método de fabricación aditiva multihaz desarrollado por Shimadzu y los demás socios permite unir circuitos de cobre de cualquier forma directamente a la cerámica sin utilizar plata, logrando uniones fuertes con baja tensión residual. Los láseres de diodo azul son idóneos para procesar cobre puro, ya que los metales absorben la luz láser azul con gran eficiencia. Además de su alto rendimiento de disipación de calor, su durabilidad ante ciclos térmicos*3 es más de tres veces superior a la de los sustratos convencionales. Asimismo, la tecnología de fabricación aditiva 3D permite la formación de patrones de líneas finas y formas de circuitos complejas. Además de los dispositivos semiconductores de potencia, también evaluaremos su uso en una amplia gama de campos, incluyendo equipos de comunicaciones ópticas y servidores de IA, donde se requiere cableado de alta densidad y miniaturización.

• *1 La fuerza que permanece dentro de un material después de la unión o el procesamiento. Una tensión residual excesiva puede causar deformación del sustrato, agrietamiento y deslaminación en las áreas unidas.
• *2 Fenómeno en el que la plata migra en condiciones de alta temperatura, alta humedad o alto voltaje, formando caminos conductores no deseados. Esto puede reducir la fiabilidad del aislamiento de los componentes y sustratos electrónicos.
• *3 La capacidad de los sustratos y las áreas de unión para soportar la exposición repetida a bajas y altas temperaturas sin degradación. Es un indicador importante para evaluar la fiabilidad a largo plazo de los sustratos de disipación de calor en los módulos de potencia.

Proceso para recubrir un sustrato de nitruro de aluminio (AlN) con electrodos de cobre utilizando un láser de diodo azul para producir un sustrato de nitruro de cobre-aluminio (Cu-AlN).

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