Outline:インバータに使用されるパワーモジュールは、省エネルギー化、高耐熱化を目的として、SiC半導体を利用する検討がなされているが、未解決の課題も多い。その一インバータに使用されるパワーモジュールは、省エネルギー化、高耐熱化を目的として、SiC半導体を利用する検討がなされているが、未解決の課題も多い。その一つが高耐熱実装技術である。従来の半田材料や、Alワイヤに代わる、高融点材料による接続技術開発が必要...インバータに使用されるパワーモジュールは、省エネルギー化、高耐熱化を目的として、SiC半導体を利用する検討がなされているが、未解決の課題も多い。その一つが高耐熱実装技術である。従来の半田材料や、Alワイヤに代わる、高融点材料による接続技術開発が必要である。本研究では、耐酸化性に優れたNiナノ粒子を用い、熱応力による応力の緩和を目的としてAlフィルムを挿入した応力緩和型の接続構造を検討した。Menta使用)シミレーションの双方から確認できた。Outline:研究成果概要:省エネルギーSiCデバイス高温実装技術研究1(高温実装用)SiC(Si)チップ電極と基板のワイヤボンディング接続技術確立:太線ワイヤボン研究成果概要:省エネルギーSiCデバイス高温実装技術研究1(高温実装用)SiC(Si)チップ電極と基板のワイヤボンディング接続技術確立:太線ワイヤボンディングの検討をAlに加えて、Cuワイヤを用いて接合実験をおこなった。Cuワイヤの場合は、チップへ...研究成果概要:省エネルギーSiCデバイス高温実装技術研究1(高温実装用)SiC(Si)チップ電極と基板のワイヤボンディング接続技術確立:太線ワイヤボンディングの検討をAlに加えて、Cuワイヤを用いて接合実験をおこなった。Cuワイヤの場合は、チップへのダメージはSiチップでは、顕著にあらわれ、接合マージンが狭くなるが、ボンディングステージを加熱することで、大幅な改善がみられることがわかった。酸化防止をおこないながら、さらに高温で接合することが今後の検討課題である。2(高温実装用)SiC(Si)チップ電極と基板とのフリップチップ接続(直接接合)技術確立:高温実装用フリップチップ化の基礎検討として、ナノ金属による接合、マイクロメッキによる接続、静電ジェット噴霧による接続(接合)について、調査をおこなった。ナノ金属による接合については、ボイド、空隙の対応のための複合化を中心に検討した。耐熱性は劣化するが、従来の導電樹脂等と比較して各段の耐熱性向上の確認ができた。マイクロメッキによる接続については、Niメッキによる導電接続の基礎検討をおこない、良好な接続と強度が確保できることが判明した。デバイス構造を想定した試験による応力に対する信頼性など、今後の検討課題となるが、実用の可能性が十分あるものと推定された。最適接続構造と合わせて検討が必要である。静電ジェット噴霧接続については、あらたな装置導入により、ナノ溶液の塗布実験を開始した。良好で比較的均一な塗布が可能であることが判明した。ナノ粒子の接合、凝集化が課題となるが、層状塗布中の加熱などあらたな緻密化の検討が必要であることが分かった。3信頼性実証ナノ金属の適用に係る信頼性課題を中心に検討した。ナノ金属は低温で接合が可能で、比較的高融点の金属を用いることで、高温の接続信頼性に優位性をもつと考えられる。粒子の接合、凝集時に発生する応力やボイドが課題となることから、加熱接合の粒子の挙動について調査した。粒子間の接合(表面近傍拡散)は十分に行われるものの、物質(接合粒子)の移動が十分ではなく、ボイド、クラックの発生原因となって、信頼性低下の原因となる。塗布方法の検討あるいは、材料複合化により、より実用的な使用方法についての継続的な検討が必要である。表面電極とCuリードの接合を想定したナノNi粒子のAlへの直接接合について、ナノNiペースト、ナノNi溶液を用いた接合評価をおこなった。表面電極とCuリードの接合を想定したナノNi粒子のAlへの直接接合について、ナノNiペースト、ナノNi溶液を用いた接合評価をおこなった。Al蒸着Siチップ同士の接合実験で加熱・加圧を行うことにより十分な初期強度ならびに高温保管での強度が確保できることが分かった。Al表面へのナノNi溶液の塗布方法として静電噴霧法は選択的に電極への塗布が可能であり、一定の強度が得られていることから、ナノ粒子の塗布方法として有効であると考えられる。高融点材料で耐食性も期待できるNiを用いた接合が、低温300°C程度で可能であることが分かった。接合後も300°C以上の高耐熱性を有していることが判明した。界面のSTEMによる観察からは、低温側では酸化物を介した接合が開始し、高温側ではAl/Niの金属結合が進行していることが確認された。パワーデバイス実装への適応において、銅基板とSiまたはSiCチップとの熱膨張差から生じる応力の緩和については、Niナノ粒子層に応力緩和層を用いることで十分なな接合強度が維持できることがわかった。最適な応力緩和層の配置と物性の検討を有限要素法によるシミュレーションも併用して検討する予定である。接合をナノNi粒子により行い、高温環境及び高温保持試験後において回路として正常に動作することを確認した。以上の結果から、ナノNi粒子は塗布方法のさらなる検討が必要ではあるが、ダイボンディング部の高耐熱実装技術として実用的かつ有効な接合技術であると考えられる。粒子サイズによる接合強度の比較で、接合温度300°Cでは、粒子サイズの大きい方が接合強度が高くなる結果に対しては、小粒径の粒子では、表面の酸化膜量が相対的に多くなることが原因しているものと考えられた。このことから、表面活性を高めた小径のものと、酸化膜量を相対的に提言した大径の粒子複合化による最適なナノ接合材料の検討が必要と考えられる。予備実験より、Al電極へのAgワイヤの接合は、Al/Ag化合物の形成にともない、ボイドが発生し劣化すると考えられていた。その機構は必ずしも明らかにされていなかった。予備実験より、Al電極へのAgワイヤの接合は、Al/Ag化合物の形成にともない、ボイドが発生し劣化すると考えられていた。その機構は必ずしも明らかにされていなかった。ボンディング強度(初期接合状態)を変化させ、Al/Ag接合の拡散挙動と接合強度変化を調査した。その結果初期強度が高く、Alの電極厚さが4μmのものでは、300°C、100hの加熱条件でも強度劣化は見られなかった。初期強度が比較的低く、Alの厚さが1μmのものでは、同様の加熱条件で、強度は顕著に劣化した。従来Al/Agの金属間化合物の成長にともない、ボイド形成が進行し劣化すると考えられていたが、ボイド形成は、金属間化合物の形成形態により、ボイド形成の核の生成の有無により異なることが示唆される結果がえられた。加熱雰囲気が大気、真空ではその違いは顕著ではなく、従来報告されているAl/Ag接合対の劣化は、主として、樹脂封止中で認められており、化合物の腐食反応と密接に関連しているものと考えられた。電極材料の検討では、Ni/AuへのAg接合について検討したが、いずれの条件でも劣化は見られず、安定した接合部の信頼性が確保できるものと考えられた。接合部の信頼性にかかわる改善は見られないことから、樹脂成分による耐腐食に効果があるものと推定される。電気抵抗は合金化により4倍程度となり、今後の実用化としては、優位性が顕著ではなかった。ワイヤ表面の耐腐食コーティングは、有効であり、長時間大気中での放置においても、接合性の劣化は見られなかった。電気抵抗の上昇は1割以下であり、またコスト的な課題も大きくない。今後は、LSIおよびSiCパワーデバイスを想定し、Ni電極層を主とし、厚みならびにワイヤ材料のさらなる高温長時間の拡散挙動への影響を調査する。太線Agワイヤの超音波接合による塑性変形を考慮した拡散対での界面拡散挙動を評価し実用可能性を検証する。拡散シミュレーションとの比較から、SiCチップ電極とAgワイヤの最適構造の提案を行う。Outline:近年、自動車やエレクトロニクス分野において材料接合のニーズは多様化しており、新たに接合技術が求められている。エレクトロニクス分野において材料接合のニーズは多様化しており、新たに接合技術が求められている。期待されているSiCデバイスの実装には...近年、自動車やエレクトロニクス分野において材料接合のニーズは多様化しており、新たに接合技術が求められている。期待されているSiCデバイスの実装には、はんだ接合に代わる高耐熱性を有する新たな接合技術の開発が求められている。ここでは300°C以上の長期高温耐熱性を有し、接合温度が400°C程度以下の接合技術をターゲットとした接合方法として、金属ナノ材料の適応可能性の検討を目的とした。現在までに、鉛フリー化に伴った高温はんだ代替の接合材料としてAgナノ粒子、Cuナノ粒子による接合が検討され、ナノペーストなどによる接合性の研究がされているが、高温環境での酸化等の問題も指摘されている。新たな接合材料として、銀よりも融点が高く、耐食性に優れているNiに着目し以下の結果が明らかとなった。高融点材料で耐食性も期待できるNiを用いた接合が、低温300°C程度で可能であることが分かった。合後も300°C以上の高耐熱性を有していることが判明した。高温保管での強度が確保できることが分かった。実験熱膨張差による応力緩和に金属の中間層を設けた新たな接合構造は効果的である結果となった。今後は応力緩和層の厚みなどの最適化、熱サイクル試験による急激な温度変化による接合信頼性の検証を行う予定ではあるが、熱膨張差による応力問題の解決策として有効であると言える。この応力緩和層を設けた新たな接合構造は銀ナノ粒子による接合にも効果的であると考えられる。SiCダイオードチップを用いた高温環境でのデバイス動作テストを行った結果、加熱による接合部の劣化はなく、300°C程度の高温動作が可能であることが分かった。Outline:半導体の導電接続は、金、銅、半田などが多用されてきたが、銀はマイグレーションなどが懸念され、チップ電極の裏面、リードフレームのリードメッキなどの使用に半導体の導電接続は、金、銅、半田などが多用されてきたが、銀はマイグレーションなどが懸念され、チップ電極の裏面、リードフレームのリードメッキなどの使用に限定されてきた。近年、SiCなどの新規パワー半導体の開発が進展し、これらの特徴を最大限に引き出す...半導体の導電接続は、金、銅、半田などが多用されてきたが、銀はマイグレーションなどが懸念され、チップ電極の裏面、リードフレームのリードメッキなどの使用に限定されてきた。近年、SiCなどの新規パワー半導体の開発が進展し、これらの特徴を最大限に引き出すために、高温で、高電流密度の使用が期待されてきた。従来の、アルミニウムワイヤ、半田などの材料による接続は、高温での使用では、組織変化や溶融による不良が懸念され、高融点材料による接続が検討されてきた。ここでは、Alワイヤに代わる銅、銀ワイヤの検討をおこない、特に比較的加工硬化の少ない銀ワイヤが、接合性、接続時にチップへのダメージなどの点から優れていることが明らかにした。AL電極との接合信頼性については、高温で金属間化合物が形成されているが、比較的Al厚みの厚い場合(4μm)には一定の、長期信頼性が確保できること、さらには、Ni/Au電極では、十分な高温信頼性が確保できることをあきらかにしてきた。Outline:鉄系金属の接合は溶接、ろうづけ、超音波接合などの方法が実用化されている。溶接、ろうづけは広く用いられているが、被接合部が高温にさらされるため、材質の劣鉄系金属の接合は溶接、ろうづけ、超音波接合などの方法が実用化されている。溶接、ろうづけは広く用いられているが、被接合部が高温にさらされるため、材質の劣化が免れない。高強度材は溶接熱影響部の脆化、強度低下などが問題となる。超音波接合の場合には、被...鉄系金属の接合は溶接、ろうづけ、超音波接合などの方法が実用化されている。溶接、ろうづけは広く用いられているが、被接合部が高温にさらされるため、材質の劣化が免れない。高強度材は溶接熱影響部の脆化、強度低下などが問題となる。超音波接合の場合には、被接合体の形状、サイズが限定される。ここでは、耐熱性、耐食性にすぐれたNiに着目し、ナノNi粒子による接合の可能性を検討した。これらは400°C以下で、ナノ粒子は焼結を開始し、鉄系材料との接合も可能であることを見出した。接合部界面の微細組織の解析から、Niナノ粒子は、酸化膜の存在下でも、接合が可能であり、その後の加熱において、異種金属の拡散、合金化が生じることが明らかとなった。