NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)プロジェクトにおいて、大阪大学と株式会社デンソーは、SiC(シリコンカーバイド)パワー半導体の長期信頼性向上が期待できる接合材の自己修復現象を発見したと発表しました。

 パワー半導体は電力変換器等に使用される半導体で、その応用製品での故障の主要因は接合部の剥離とされます。NEDOは接合材として、一般的なはんだ材より電気、熱的特性に優れた銀焼結材の開発を行っていましたが、剥離寿命が短いのが実用化における課題でした。

マイクロサイズとサブミクロンサイズのハイブリッド銀粒子ペーストを用い、250℃の低温で30分間の大気中の接合プロセスにより、ダイアタッチ接合構造(材料の異なるパワー半導体と支持基板との接合構造)が得られます。この銀ペースト焼結接合法は、従来の接合プロセスよりも、ハンドリングが容易、格段に原料が安価、強度40MPa以上(はんだ接続より高い)、熱伝導率150W/mK以上(はんだの5倍以上)、無加圧か1MPa以下の低圧で処理が可能、という特長があります。

 実験では、銀焼結材の試験片にV字型の溝を入れるノッチ加工を施し、わずかな引張荷重を掛けてノッチ先端に鋭い亀裂を導入。この試験片を大気中で200℃、および300℃で保持し、亀裂先端の変化と試験片の引張り強度変化を調べました。

 SEM(走査型電子顕微鏡)による観察では、200℃で保持すると亀裂が閉じて部分的接合が始まり、さらに温度300℃では亀裂が広範囲に閉じて、亀裂の明確な自己修復現象を確認しました。また、亀裂導入試験片の引張り強度変化を検討すると、100時間の高温保持後はほとんど亀裂を導入しない試験片と同等レベルに到達しました。

 本現象は、銀焼結材の接合層中に生じる亀裂が高温の機器動作環境下で自己修復するというもので、自動車分野などSiCパワー半導体の適用可能性を大きく高めたとしています。

大阪大学

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大学ジャーナルオンライン編集部

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