解［実装・パッケージ］

説

パワー半導体の接合技術の現状と今後− SiC に対応する新しい材料の実装技術
大阪大学

陳 伝彤＊1 Chen Chuantong
菅沼 克昭＊2 Suganuma Katsuaki

産業科学研究所 フレキシブル3D実装協働研究所＊1特任准教授 博士（工学）＊2名誉教授 博士（工学）〒567-0047 大阪府茨木市美穂ケ丘8-1 ☎06-6879-4294

電気自動車における電力変換ロスの削減とインバはじめにータの軽量化などによるCO2 排出量削減、太陽光や風力発電などの新エネルギーの電力変換分野な

次世代パワーエレクトロニクスは、エネルギーどさまざまな分野に適用されており、さらなる高転換における強靭な電力ネットワーク構築の鍵と密度化、システム化、高効率化、使用環境の多様なる。電力ネットワークの各段階（発電・送電・化が進みつつある（図 1 ）1）。

配電・消費）において電力変換技術が利用され、

図 2 に示すように自動車用インバータ装置をその際に生じる電力損失を大幅に低減することがはじめとする高電圧高温環境で使用される高密度求められている。そのため、パワー半導体として多素子パワーモジュールでは、半導体デバイス表使われているSiの替りに、SiC（シリコンカーバイ面に配線が形成され、半導体層で発生する熱を逃ド）を代表とする、高耐圧、低オン抵抗、耐熱、が す た め の 放 熱 基 板DBC（Direct Bonding Cop-

高周波特性などの物理的・電気的に優れ、250℃per）あ る い はDBA（Direct Bonding Aluminum）

以上の高温動作が可能なワイドバンドギャップ半を半導体チップ下に接合する形態になる。冷却板

導体（WBG）の普及が期待されている。これからとしてAlなどは配置されるが、DBC/DBA基板のSiCパワエレ技術は産業機器、鉄道車両などのモータコントロール分野からハイブリッドカーやパワー半導体

（ a）

接合材

電力変換容量［kVA］

DBC基板
SiCの世界将来の電力用変換装置

105

セラミックス

圧延機

10410210

新幹線

交直変換装置

風力発電

限界

103

SiのSiの限界
電力分野

0.01

0.1接合材

二次電池

電機自動車

小型分散電源

汎用インバータ

1

アルミ冷却器（b）

パワー半導体

IH
10

接合材

100Cu

動作周波数［kHz］

図 1 SiCを用いた次世代パワー半導体の適用分野と範囲［出典：電気学会論文誌B，135巻，2号，2015］

2022年冬号（Vol.70 No.1）

Alワイヤ

セラミックスCu

図2

パワーモジュール構造とその断面観察

25表1
ダイアタッチ技術

はんだ

TLP接合

金属膜固相接合
金属焼結接合その他

代表的なダイアタッチ技術とプロセス比較 4）、5）

材料
高PbはんだSn系Pbフリーはんだ
Bi系はんだAu系はんだZn-Sn系はんだ
純Znはんだ▶Sn-AgやSn-Cuも使われるが耐熱性なし▶純Znは優れた特性だがリフロー温度高▶Sn系金属間化合物形成で耐熱か▶接合層脆さとボイド形成▶残存する液相処理▶長時間処理必要▶高強度、高熱伝導可能
固相接合（Ag，Cu, Al）▶加圧が必要ストレスマイグレーション接合（Ag）▶Agは大気中、Cuは不活性雰囲気
金属ナノ粒子▶最も可能性が高く、Ag系は低温化も可能
金属マイクロ粒子/フレーク▶ナノ粒子は高価で加圧と250℃以上焼結が必要
酸化物粒子（Ag, Cu）▶酸化物はボイド形成
表面活性化常温接合▶表面活性化は高真空中でのイオン照射と接合面平坦性が必要
光常温接合▶光常温接合は短時間、大気中可能（Cu，Ni，Ag）-Sn系（Au，Ag）-In積層膜とロウ付けやTIMなどで接合・接触される。こ合物を形成し耐熱化するTLP接合（Transient Liq-

れからSiCパワーモジュールの大幅な小型化およuid Phase Bonding）が盛んに試みられたが、ボイび大電力変換においては、2030年に電力密度がド形成、脆さや熱伝導の低さなど特性の悪さから、現状の～100W/cm2 から 300W/cm2 に、動作温度特殊な場合以外は適用できない。とくに、TLPは 175℃から 250℃に上昇することが報告されて接合では生成された金属間化合物（IMC）層は、強いる。SiCチップ自体は耐熱性の問題がないが、度は高いが靭性が低いと報告されている。IMC

パワー半導体を放熱基板に接合する高鉛や脆性的な特性や長期信頼性などについて評価を進

Sn-Ag-Cu系などはんだ材料は 200℃を下回るのめていく必要があるこれらの材料は、いずれも電が現状である。SiC半導体の性能を十分に発揮さ気伝導や熱伝導において性能が低く、より高い電せるための 250℃を超える環境では使用できず、気伝導、熱伝導を有する材料の適用が望まれる。

そのためには革新的な接合材料の開発および長期現在、SiCパワー半導体の実装技術開発ではさ信頼性評価技術が必要となる

2）、3）

。

まざまな取組みがなされているが、中でも、導電一方、従来から用いられてきた高温はんだと、性、耐熱性と放熱性を兼ね備えた銀（Ag）また銅新たに実用化提案されている主な鉛フリーはんだ（Cu）粒子焼結接合材料は主役になると期待されを表 1 にリストした。高鉛はんだは、将来鉛フている。このような背景から、本稿ではSiCに対リー化の規制の可能性があることと、そもそも耐応するAgまたCu粒子焼結接合材料の実装技術に熱性、信頼性に限界があり、250℃を超える可能ついてそれぞれ紹介し、さらに、新たなAg-Cu複性のSiCパワー半導体には用いられなくなる。金合高温実装材料の発展も紹介する。

系はんだは、耐熱性には優れるものの、融点は300℃以下にありSiCパワー半導体には不足し、そもそも高価すぎて汎用には使えない。

Ag 焼結接合技術

Zn系はんだはZnの融点が約 420℃であるため、Ag焼結接合は、焼結接合の中で最も研究され合金化により 300℃から 400℃の温度範囲で溶融ている接合技術である。Agのナノ粒子とマイクするさまざまなはんだ合金を作ることが可能であロサイズ粒子を用いる場合がある。

る。共晶組成であるZn-Alを用いたZn-Alはんだ

銀ナノ粒子は、ナノサイズ効果によりバルク材は、融点が 380℃まで低下する。また、Zn-Alにに比べて著しく融点が降下することが知られておMgを添加することで耐食性が劇的に改善される

り、比較的低温で焼結が進行して高耐熱の金属接ことも報告されているが、3元素合金は多量の化合が得られる。いままで、Ag焼結接合技術はAg合物を形成するため、信頼性は低くなる。

ナノ粒子を用いた焼結が良く報告された。しかしまた、はんだをCuやNiと反応させて金属間化

26

備考▶高Pbは耐熱性低く、鉛フリー化の要請ながら、Agナノ粒子の焼結では、表面エネルギ

特集 1

SiC die

次世代パワー半導体の最新動向と関連技術の新展開

（a）

（b）

（c）

（d）

Ag sinter layer

Cu（DBC）substrate

図3

250 ℃無加圧10分でAg焼結構造の断面観察

ーの活性が高く、低温での焼結性がよいことが知られているが、高い圧力を加えないと焼結が進まないため実装の生産効率が悪く、歩留りも悪いことなどが課題として残っている。特に複数のチップを同時に接合するときに、チップそれぞれの高図4 A
 gナノ粒子、サブミクロン粒子、ミクロン粒子とミクロンサイズAgフレーク粒子ペーストの焼結材の表面構造さのばらつきがあるため加圧条件が微妙に変わっ還元する。図 3 に示すように 200℃以上の焼結温てしまい、高い信頼性を確保することが難しいと度で接合層の組織はマイクロ・ポーラス状になっいう課題があった。また、大面積チップへの接合ており、バルクAgと比べると電気伝導性は低くにおいては、Agナノペースト内部では空気の供なるが、熱応力を緩和することが期待されている。

給が不足し、有機物溶剤などが十分に燃えること熱伝導も良好で、200℃で焼結されたAgの構造はができず、焼結結合が不完全となるため、界面ボ200 W/mK程度が可能になった。また、250 ℃無イドの大量生成の起因で接合強度はチップの面積加圧 10分焼結でスバッタ成膜したTi/Agのメタと幾何学的に減少する。とくに、Agナノ粒子自ライズ基板、SiCチップとの焼結接合構造におい体に保存性や生産性、中でも材料費が高いというては30 MPa以上の接合強度が得られた 6）。

課題が残っている。銀接合の実用化に向けて新しい銀焼結ペーストの開発が求められてきた。

使用する銀粒子のサイズ、形状などの検討を行い、ミクロンAgフレーク粒子が低温・低圧で強一方、一般的に市販されるAgナノ粒子（粒径＜いせん断強度を達成する原因を調査した。図 4100 nm）と比べ、ミクロンサイズ（粒径>1μm）粒に示すのはAgナノ粒子、サブミクロン粒子、ミ子は製造保存しやすく、製造プロセスコストは従

クロン粒子とミクロンサイズAgフレーク粒子を来のナノ粒子に対し数分の一である。また、ミク使用し、それぞれ同じ溶剤と混合し、Agペースロンサイズ粒子の接合では粒子同士に相対的な大トされたものを 250℃、30分、大気中で焼結した

きな隙間があったため、有機物溶剤の発揮がよりAg表面構造である。銀ナノ粒子で焼結した断面簡単になり、大面積のチップの接合が可能となる。

（a）には、ナノ粒子サイズに比較して明らかな粗しかしながら、ミクロンサイズ粒子は表面エネル大ボイドが多数現れ、焼結構造は均一的に得られギーが低いため、ナノ粒子より 300℃以上の高いていないことが示される。また、この焼結不均一温度と～ 10MPa加圧で焼結することが必要であ性が、銀ナノ粒子焼結体の機械物性が優れない原った。このような高温高圧の焼結の場合には、単因を与えていると考えられる。また、ミクロン

純に焼結製造プロセスのコストが高騰するだけでAg粒子焼結では（c）、元の銀粒サイズが大きく、なく、チップ表面およびデバイスにダメージを与粒と粒の間に大きい隙間が残存することが判る。

える可能性もあった。

一方、サブミクロン粒子とミクロンフレーク状の近年、低コストのミクロンサイズAgフレーク

銀焼結体は（b, d）、他のAg焼結体より比較的均を用いたペーストが開発されている。ナノ粒子よ一な緻密なマイクロ・ポーラス構造になることがり、保護膜の量も少なく除去が容易であり、また、示されている 7）。

Agの自浄効果により 200℃付近で酸化物が自然2022年冬号（Vol.70 No.1）

4種類焼結接合構造から得られたせん断強度を27

せん断強度（MPa）

40（a）

3530

球状粒子

25フレーク粒子20

結晶粒内部転移1510

Agフレーク粒子

50503002500

6000（t=260）

銀粒子サイズ（nm）

図5（ b）（c）（d）

Agナノ粒子、サブミクロン粒子、ミクロン粒
子とミクロンサイズAgフレーク粒子ペーストの焼結接合強度
Agナノ粒子図 5 に示す。球状銀粒子の中で 300nmのサブミ
クロン粒子接合体のせん断強度は、最も大きい値
でも 10MPaより小さかった。一方、ミクロンフ
レ ー ク 状Ag粒 子 よ る 焼 結 接 合 し た 場 合 は、30MPa以上であった。ミクロンフレーク状Ag粒

ミクロンフレーク状Ag粒子のTEM像と焼結後の構造にAgナノ粒子の自己生成子よる焼結体断面組織は、サブミクロン粒子焼結に酸素が異常吸収される。次には、粒界で同時に体の断面構造と大差はないが、せん断強度は 3倍複数の反応が発生し、高温環境下でAg-O液化現以上ある。このため、焼結接合のせん断強度に対象 が 生 じ る。 ま た、Ag Nano-volcanic Eruption

しては、焼結のミクロ構造以外に他の原因もある

メカニズムに基づけば、200℃程度で粒界に沿っと考えられる。その原因を調べるため、ミクロンてAg-O液相が生じることで容易に粒界すべりをフレーク状の銀粒子で焼結体のTEMサンプルを誘発し、そのため、熱機械的応力が粒界に蓄積さ作製し、TEM観察を行った。

れ、ある閾値で、火山噴火のような動きでAg-O

図 6（a）、（b）に示すのはミクロンフレーク状アモルファスを粒界から吹き出す。Ag-Oは200℃のAg粒子である。結晶の中に多く転移が発見さ程度の高温常圧下では、熱分解し金属Agとなるれ、銀フレーク粒子内部の粒界密度が高くなるこので、無数のAgナノ粒子が形成される。図 6（a）、8）とがわかった 。図 6（c）、（d）に示すようにAg（b）に示すように球状銀粒子と比べると、銀フレミクロンフレーク焼結体の結晶粒と結晶粒のネッーク粒子内部の粒界密度が高く、結晶粒内部残留キング間に、多くの銀ナノ粒子が観察された。

ひずみにより高温焼結中に粒界反応と応力集中がAgナノ粒子が形成される原因および条件などは生じやすくなり、ナノ粒子が多く生成されるもの

まだ十分に理解されていないが、Agナノ粒子はと言える。高い表面エネルギーを有するナノ粒子一連の物理的反応によって形成されると考えていの生成が、Ag粒子焼結を促進し接合強度を向上る。

させることがわかった。

最近の研究により酸素はAgナノ粒子の形成に必要であることが報告された。異方性のAg粒子を多く含むAg焼結材の内部の熱機械的応力は、Cu 焼結接合技術

加熱プロセス中に粒界に容易に蓄積され、Ag焼Cuは金属中でAgに次ぐ電気伝導率、熱伝導率

結材の粒界へ酸素が異常吸収されるためAg-O液を有しており、比較的コストも安価であるため次化現象が生じ、同時に熱機械的応力が働きAg-O世代のダイアタッチ技術として注目されている。

液体がAg膜表面に吹き出すとの理論もあった。

また、パワーデバイスの基板として使用される

こ の 現 象 は”Ag Nano-volcanic Eruption”と 呼 ばDBC（Direct Bonding Copper）基板へ、メタライ

9）れている 。多結晶であるAg焼結材は結晶粒界28

図6

ゼーションをせず、直接接合することが可能であ