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拓扑与电路 ★ 5.0

冷气喷涂铜颗粒与氮化铝基板在功率电子封装中的结合机制

Bonding Mechanism of Cold Gas-Sprayed Copper Particles Onto Aluminum Nitride Substrates for Power Electronics Packaging

作者 Margie Guerrero-Fernandez · Ozan Ozdemir · Zhu Ning · Paul Allison · Brian Jordon · Pedro Quintero
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年4月
技术分类 拓扑与电路
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 冷喷涂 铜涂层 氮化铝基底 结合机制 动态再结晶
语言:

中文摘要

本研究探讨了冷喷涂(CGS)铜(Cu)颗粒与氮化铝(AlN)基底之间的结合机制。成功沉积了厚度为300微米的铜涂层,并采用电子背散射衍射(EBSD)技术对其进行表征,揭示了铜涂层主体与铜/氮化铝界面之间的微观结构演变差异。铜/氮化铝界面呈现出更细小、均匀的晶粒,并有动态再结晶的迹象,而涂层远端部分则呈现出较大、不均匀的晶粒,且晶内应变较高。图像质量(IQ)图和晶粒取向差分析证实,铜/氮化铝界面处的应变较低,这与较小的显微硬度读数相关,表明存在再结晶现象。颗粒冲击的有限元模拟显示,存在较大的塑性变形、射流现象,且热响应超过了铜的再结晶温度。这些发现表明,铜/氮化铝界面的结合机制涉及机械互锁和动态再结晶。表面平均粗糙度(Sa)为0.5微米的粗糙氮化铝基底促进了机械互锁,从而增强了附着力。这项工作为优化冷喷涂技术在陶瓷基底上制备金属涂层提供了见解,特别是在电子封装应用中,在恶劣环境下可靠运行时,金属与陶瓷之间的强附着力至关重要。

English Abstract

This study investigates the bonding mechanisms between cold gas-sprayed (CGS) copper (Cu) particles and aluminum nitride (AlN) substrates. A 300- m-thick Cu coating was successfully deposited and characterized by electron backscatter diffraction (EBSD) techniques revealing microstructural evolution differences between the bulk of the Cu coating and the Cu/AlN interface. The Cu/AlN interface showed finer, homogeneous grains, and the evidence of dynamic recrystallization, while the distal portion of the coating exhibited larger, heterogeneous grains with higher intragranular strains. Image quality (IQ) maps and grain orientation spread analysis confirmed lower strains at the Cu/AlN interface that correlated with smaller microhardness readings suggesting a recrystallization phenomenon. Finite-element simulations of particle impact revealed large plastic deformations, jetting, and a thermal response surpassing the recrystallization temperature of copper. These findings are indicative of a bonding mechanism involving mechanical interlocking and dynamic recrystallization at the Cu/AlN interface. The roughened AlN substrate, with an average surface roughness (Sa) of 0.5~ m, promoted mechanical interlocking, thus enhancing adhesion. This work provides insights into optimizing CGS for metal coatings on ceramic substrates, particularly in electronic packaging applications, where strong metal-ceramic adhesion is critical for reliable operation in harsh environments.
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SunView 深度解读

从阳光电源功率电子封装技术的战略视角来看,这项冷气喷涂铜-氮化铝基板键合技术具有显著的应用价值。该技术直接针对我们光伏逆变器和储能变流器中IGBT、SiC等功率模块封装的核心痛点。

**技术价值分析**:氮化铝陶瓷基板因其优异的导热性能(150-200 W/m·K)和电绝缘性,是高功率密度逆变器的理想散热基板。传统DBC(直接覆铜)工艺需要高温(>1000℃)且工艺复杂,而该研究展示的冷气喷涂技术在低温下实现了300微米厚铜层的可靠沉积。通过动态再结晶和机械互锁的双重机制,界面结合强度满足严苛工况要求,这对于我们开发耐受沙漠高温、高原低压等极端环境的产品至关重要。

**业务应用前景**:该技术可应用于我们1500V及以上高压光伏系统和大型储能PCS的功率模块封装,提升散热效率15-20%,从而支持更高的功率密度设计。特别是在我们推进的SiC模块应用中,更优的热管理直接转化为系统效率提升和成本下降。有限元仿真显示的塑性变形和热响应控制能力,为工艺参数优化提供了理论基础。

**技术挑战与机遇**:当前需关注的是冷喷涂设备的工业化成本、大面积均匀性控制以及长期热循环可靠性验证。但该技术的低温特性避免了热应力损伤,0.5微米表面粗糙度的可控性为批量生产提供了可能。建议与研究团队建立合作,针对我们250kW以上大功率产品开展定制化工艺开发,抢占下一代功率封装技术制高点。