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Shimadzu Corporation, por meio de pesquisa conjunta com o Instituto de Pesquisa de Junção e Soldagem da Universidade de Osaka (Cidade de Ibaraki, Prefeitura de Osaka; Professor Masahiro Tsukamoto) e a DOWA POWER DEVICE Co., Ltd. (Cidade de Shiojiri, Prefeitura de Nagano), uma empresa do grupo DOWA HOLDINGS Co., Ltd., implementou com sucesso substratos de nitreto de cobre-alumínio (Cu-AlN) fabricados utilizando o método de manufatura aditiva multifeixe. Esta é a primeira tecnologia do mundo para revestir diretamente um substrato de nitreto de alumínio (AlN) com eletrodos de cobre, alimentando simultaneamente o substrato com pó de cobre e irradiando-o com um laser de diodo azul, sem o uso de prata, que pode causar falhas de isolamento. Além de dispositivos semicondutores de potência, a tecnologia também tem potencial para uso em uma ampla gama de outros campos, como comunicações ópticas, satélites de comunicação, servidores de IA e lasers médicos.

Com o desenvolvimento contínuo de dispositivos semicondutores de potência de alto desempenho, as tecnologias para o gerenciamento eficiente do calor gerado por eles tornam-se cada vez mais necessárias. O Cu-AlN, no qual o cobre é ligado ao nitreto de alumínio, combina excelente condutividade térmica e propriedades de isolamento elétrico, sendo utilizado principalmente como substrato isolante para dissipação de calor em dispositivos semicondutores de potência. Os métodos de ligação convencionais geralmente utilizam brasagem em alta temperatura com materiais que contêm prata. Esses métodos apresentam desafios, incluindo longos tempos de fabricação, tensão residual*1 e o impacto da migração da prata*2 na confiabilidade do isolamento.

Novo processo de colagem (à direita) baseado em manufatura aditiva multifeixe é colocado em uso prático com sucesso.
Ao contrário do método de união convencional que utiliza brasagem com metal ativo (à esquerda), o novo método permite unir o cobre diretamente, sem a necessidade de material de brasagem.

Os três parceiros estão envolvidos em pesquisa conjunta desde novembro de 2022, sendo que Shimadzu ficou responsável pelo desenvolvimento do sistema de revestimento de cobre com lasers de diodo azul e pelos processos de fabricação. O método de manufatura aditiva multifeixe desenvolvido pela Shimadzu e pelos outros parceiros permite que circuitos de cobre de qualquer formato sejam colados diretamente em cerâmicas sem o uso de prata, obtendo-se ligações fortes com baixa tensão residual. Os lasers de diodo azul são ideais para o processamento de cobre puro, pois os metais absorvem a luz laser azul com alta eficiência. Além do alto desempenho de dissipação de calor, sua durabilidade em ciclos térmicos*3 é mais de três vezes superior à de substratos convencionais. Ademais, a tecnologia de manufatura aditiva 3D permite a formação de padrões de linhas finas e formatos de circuitos complexos. Além de dispositivos semicondutores de potência, também avaliaremos seu uso em uma ampla gama de campos, incluindo equipamentos de comunicação óptica e servidores de IA, onde cabeamento de alta densidade e miniaturização são requisitos essenciais.

• *1 A força que permanece em um material após a colagem ou o processamento. Tensão residual excessiva pode causar empenamento do substrato, fissuras e delaminação nas áreas coladas.
• *2 Fenômeno no qual a prata migra sob condições de alta temperatura, alta umidade ou alta tensão, formando caminhos condutores não intencionais. Isso pode reduzir a confiabilidade do isolamento de componentes e substratos eletrônicos.
• *3 A capacidade dos substratos e das áreas coladas de suportarem exposição repetida a temperaturas baixas e altas sem degradação. É um indicador importante para avaliar a confiabilidade a longo prazo dos substratos de dissipação de calor em módulos de potência.

Processo para revestir um substrato de nitreto de alumínio (AlN) com eletrodos de cobre usando um laser de diodo azul para produzir um substrato de nitreto de cobre-alumínio (Cu-AlN).

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