L'électronique imprimée et l'électronique de puissance ? Il existe un lien direct via les matériaux de fixation des matrices. En effet, il s'agit d'une histoire à succès, mais comme pour beaucoup d'autres histoires de ce type dans le domaine de l'électronique imprimée, elle est appelée autrement une fois qu'elle atteint le marché. Quelle est donc cette histoire ?
De nombreux systèmes de fixation de puce dans l'électronique de puissance (Mosfets IGBT, SiC, GaN, LEDs, etc.) continuent à utiliser la soudure. Grâce aux semi-conducteurs à large bande (WBS), la tendance est aux densités de puissance surfacique toujours plus élevées, ce qui se traduit par une température de jonction plus élevée. En effet, cette évolution vers les WBS signifie que le semi-conducteur n'est plus le facteur limitant, mais les matériaux de conditionnement.
La soudure sans plomb est l'un de ces matériaux qui n'est pas à la hauteur. À des températures de fonctionnement telles que 175°C (l'objectif est de 200°C et plus), la température maximale de la soudure devrait être de 265°C si la température homologue doit être de 50% ou moins. La première diapositive ci-dessous montre que les soudures sans plomb n'ont pas une température de fusion assez élevée. La soudure SAC courante est nettement en deçà. AuSn ou SnAgSb pourraient être des options, mais même eux sont obligés de fonctionner près de leur limite.
Pour résoudre ce problème, les matériaux de fixation des matrices en métal fritté (Ag et Cu) offrent une bonne alternative. Le tableau de la diapositive 2 montre que l'Ag fritté (ainsi que le Cu) a une température de fusion semblable à celle d'une masse, ce qui permet des températures de fonctionnement/de jonction très élevées. La conductivité thermique - en fonction du frittage - peut être très élevée, même beaucoup plus élevée que celle de l'AuSn.
Cette technologie est déjà commercialisée depuis de nombreuses années dans des endroits comme les voitures Tesla (matrice frittée en Ag fixée sur des composants électroniques de puissance en SiC). C'est un marché qui va croître avec l'électrification des véhicules qui se poursuit à un rythme soutenu. Il sera également stimulé lorsque les amplificateurs de puissance GaN prendront pied dans l'infrastructure de communication 5G.
Le métal fritté peut être appliqué de différentes manières. Dans le cas de la version imprimée, la pâte de fixation de la puce (contenant des particules d'Ag ou de Cu) peut être imprimée au pochoir, sérigraphiée ou distribuée. Pour les versions "sous pression", l'approche la plus courante consiste à sérigraphier la pâte, à la pré-sécher, à positionner la matrice et à préchauffer le substrat, puis à fritter sous pression. L'objectif est d'obtenir une forte adhésion et de former une ligne de liaison exempte de vides et aussi solide que possible. C'est pourquoi une pression externe est parfois appliquée pour faire sortir tous les vides et former une ligne de liaison compacte et solide. Une autre technique consiste à laminer un film sec sur une plaquette. Les matrices sont donc prélevées avec l'attachement de matrice déjà appliqué. On peut aussi utiliser un film sec
Cette technologie a fait des progrès considérables. Il existe maintenant de nombreuses versions sans pression, avec également un frittage rapide. Des particules de taille nanométrique et micrométrique sont utilisées. La technologie permet également d'obtenir une bonne force d'adhérence, même sur des surfaces qui ne correspondent pas (par exemple, en appliquant une matrice en Ag sur une surface en Cu). Néanmoins, elle ne remplace pas encore totalement la soudure au plomb.
Le graphique de la dernière diapositive est une excellente étude récemment publiée par un consortium de DA% offrant un véritable benchmarking basé sur des résultats testés. Ainsi, la technologie est gagnante lorsque le plomb ne peut pas être utilisé, que les coûts peuvent être tolérés et que la soudure sans plomb n'est pas à la hauteur. Cependant, elle peut encore être améliorée pour égaler les meilleures soudures à base de plomb.
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