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La Shimadzu Corporation, en collaboration avec l'Institut de recherche sur l'assemblage et le soudage de l'Université d'Osaka (ville d'Ibaraki, préfecture d'Osaka ; professeur Masahiro Tsukamoto) et DOWA POWER DEVICE Co., Ltd. (ville de Shiojiri, préfecture de Nagano), filiale de DOWA HOLDINGS Co., Ltd., a réussi à commercialiser des substrats en nitrure de cuivre-aluminium (Cu-AlN) fabriqués par fabrication additive multifaisceaux. Il s'agit d'une première mondiale : cette technologie permet de revêtir directement un substrat en nitrure d'aluminium (AlN) d'électrodes de cuivre en déposant simultanément de la poudre de cuivre sur le substrat et en l'irradiant avec un laser à diode bleue, sans utiliser d'argent, susceptible d'entraîner des défauts d'isolation. Outre les dispositifs semi-conducteurs de puissance, cette technologie devrait trouver des applications dans de nombreux autres domaines, tels que les communications optiques, les satellites de communication, les serveurs d'IA et les lasers médicaux.

Avec le développement continu des dispositifs semi-conducteurs de puissance haute performance, les technologies permettant une gestion efficace de la chaleur qu'ils génèrent sont de plus en plus nécessaires. Le Cu-AlN, composé de cuivre lié à du nitrure d'aluminium, combine d'excellentes propriétés de conductivité thermique et d'isolation électrique et est principalement utilisé comme substrat isolant pour la dissipation de chaleur dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance. Les méthodes de brasage conventionnelles utilisent généralement un brasage à haute température avec des matériaux contenant de l'argent. Ces méthodes présentent des inconvénients, notamment des temps de fabrication longs, des contraintes résiduelles*1 et l'impact de la migration de l'argent*2 sur la fiabilité de l'isolation.

Un nouveau procédé de collage (à droite) basé sur la fabrication additive multifaisceaux a été mis en pratique avec succès.
Contrairement à la méthode de brasage classique par métal actif (à gauche), la nouvelle méthode permet de braser directement le cuivre sans utiliser de matériau de brasage.

Depuis novembre 2022, les trois partenaires mènent des recherches conjointes. Shimadzu est responsable du développement du système de revêtement en cuivre par lasers à diodes bleues et des procédés de fabrication. La méthode de fabrication additive multifaisceaux développée par Shimadzu et ses partenaires permet de lier directement des circuits en cuivre de formes variées à la céramique, sans argent, garantissant ainsi des liaisons robustes et de faibles contraintes résiduelles. Les lasers à diodes bleues sont particulièrement adaptés au traitement du cuivre pur, car les métaux absorbent très efficacement la lumière laser bleue. Outre une dissipation thermique performante, leur durabilité en cycles thermiques*3 est plus de trois fois supérieure à celle des substrats conventionnels. De plus, la fabrication additive 3D permet la réalisation de motifs à lignes fines et de circuits aux formes complexes. Au-delà des dispositifs semi-conducteurs de puissance, nous évaluerons également son utilisation dans de nombreux domaines, notamment les équipements de communication optique et les serveurs d'IA, où la miniaturisation et le câblage haute densité sont essentiels.

• *1 La force résiduelle qui subsiste dans un matériau après collage ou transformation. Une contrainte résiduelle excessive peut entraîner une déformation du substrat, des fissures et un délaminage au niveau des zones collées.
• *2 Phénomène au cours duquel l'argent migre sous l'effet de conditions de température, d'humidité ou de tension élevées, formant des chemins conducteurs non désirés. Ceci peut réduire la fiabilité de l'isolation des composants et substrats électroniques.
• *3 La capacité des substrats et des zones de collage à résister à des expositions répétées à des températures basses et élevées sans dégradation. Il s'agit d'un indicateur important pour évaluer la fiabilité à long terme des substrats de dissipation thermique dans les modules de puissance.

Procédé de revêtement d'un substrat en nitrure d'aluminium (AlN) avec des électrodes en cuivre à l'aide d'un laser à diode bleue pour produire un substrat en nitrure de cuivre-aluminium (Cu-AlN).

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