The TRC News,201708-01 (August 2017)

自動車分野におけるパワーエレクトロニクス製品の課題と分析・評価技術
株式会社デンソー 半導体実装開発部 第 1PF 開発室 担当課長 石川 岳史
要 旨 半導体デバイスが自動車に搭載されるようになり、自動車特有の厳しい環境（温度、振動、ガソリン蒸気の暴露など）により家電では問題にならなかった課題が顕在化してきた。それら課題の解決に重要となるミクロな分析技術と理論解析技術（CAE）の事例を紹介する（本稿は、2017 年 5 月 12 日に開催された弊社主催「半導体分析セミナー2017」での、特別講演を基に構成したものです）。

1. はじめに「自動車分野におけるパワーエレクトロニクス製品の課題と分析・評価技術」と題して、パワーエレクトロニクス製品の課題とその製品を開発するために活用している分析・評価技術について、当社 半導体実装開発部で研究開発を行い、社外発表したものを中心にいくつかトピックス的に報告する。
図 1 車載エレクトロニクスの基本構成と半導体デバイス

2. パワーエレクトロニクス製品とその課題パワーエレクトロニクスの話に入る前に、車載エレクトロニクスを概観する（図 1）。車載エレクトロニク
スの構成はインプットとしてのセンサ、情報処理・計算する ECU（Electronic Control Unit）、出力としてのアクチュエータから成っている。パワーデバイスは主としてアクチュエータを動かすために使われている。本日はパワーエレクトロニクスに着目して報告する。
図 2 は、当社の車載パワーエレクトロニクス製品群を電流で層別したもので、パワーエレクトロニクス製

図 2 車載パワ－エレクトロニクス製品

品とアクチュエータを並べて示している。これを製品の構造で分類したものが図 3 である。

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図 4 身の周りのパワ－エレクトロニクス

図 3 車載パワ－エレクトロニクス製品
製品構造は大きく３つに分類され、半導体デバイスやチップコンデンサなどをリードフレーム上に実装してモールド封止する①モールド封止構造。製品規模が大きい場合には、セラミック基板に部品を実装する②セラミック基板構造。これら二つの合体版である③セラミック基板内蔵モールド封止構造がある。
車載パワーエレクトロニクスの話に入る前に、身の周りのパワーエレクトロニクスを概観してみる（図 4）。
家庭では、冷蔵庫や洗濯機、エアコンなど省エネを意識した多くの家電製品があり、こういった製品にパワ

図 5 車載パワエレ製品との比較ーエレクトロニクスが使われている。次に、社会に目を向けると、エレベータや産業機器、鉄道などにもパ

図 6 は、車載パワーエレクトロニクスが置かれる環ワーエレクトロニクスが使われている。
このようにパワーエレクトロニクスはあらゆるシス境がどのようなものかを示している。温度、湿度、水、テムや製品に組み込まれているが、前面に出ることな振動など種々ある。具体的に温度についてまとめたもく、システム、製品を陰で支える「黒子」的な存在でのが図 6 の下表である。見て分かるように、100℃以上ある。になっているところがほとんどで、厳しい環境の中に車載パワーエレクトロニクスが置かれていることがわ

身の周りのパワーエレクトロニクスを電力で整理すかる。

ると、上は 300kW から下は数十 W の幅広い領域で使われている。これに車載パワーエレクトロニクスを並べてみると、一般的な社会インフラ級から家電で使われているようなところまで、幅広いパワーエレクトロニクスが一台の自動車の中に入っていることがわかる（図 5）。パワーエレクトロニクスの搭載場所を考えると、鉄道用インバータでは床下の空間が利用され、エアコンであれば室外機として屋外に設置される。
一方、自動車用では大半がエンジンルームに搭載されるという現実がある。こういった限られたスペースに入れる必要性から、小型化や機電一体という要求が出され、

図 6 車載パワエレ製品の搭載環境そのようなニーズに合致する製品を開発している。

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ら、分析技術やシミュレーション技術を培ってきた。

では、車載環境がどのように製品にとって厳しいのかをポンチ絵で説明する（図 7）。製品に加わるストレスの分布と製品ストレングスのそれとが離れた状態であれば、不具合は発生せず問題はないが、温度が高くなると一般的にストレスは上昇し、ストレングスは低下する。そのため、分布の山に重なりができ、この部分が不具合が発生する領域となる。
ストレスについて、
例えば 2 種類の熱膨張係数が違う素材の接合界面では熱膨張係数差によって応力が発生する。温度が上がればその界面に発生する応力は増大する。一方、ストレングスは、樹脂材料の場合、温度が高くなればなるほ

図 8 車載パワエレ製品における劣化現象

ど強度が低下する。また、耐久に関しても、高温放置の場合、時間経過とともに材料強度は低下していくが、温度が高くなれば強度低下の速度が速くなる。
例えば、3. 製品開発のための分析・評価技術

100℃に比べて、150℃の方が強度劣化が速い。材料強度の劣化について 10℃2 倍則とか 3 倍則など言われているが、搭載環境の温度が高いということはそれだけ3.1 実装分野における可視化ニーズで製品にとって厳しいということである。
このように、実装分野における可視化ニーズを概観したのが図 9

ストレス、ストレングス共に悪化して信頼性が大幅にである。材料単体の場合（例えば A 材）では、表面も低下するのが車載環境の厳しいところである。

しくはバルクの観察が考えられる。また、複合材料（例
えば A 材、B 材の 2 材料で構成）の場合には、その界面の観察が必要である。内部の観察においては、非破壊、破壊のどちらを選択するか、さらには、静的な状態を観察するのか、動的な変化の観察が必要なのか、いろいろな要望、要求がある。そのような観点で実現
象に対して、分析・評価技術や CAE 技術を活用して可視化に取り組んでいる。

図 7 車載環境の厳しさの影響（温度の場合）
そのような車載パワエレ製品の劣化現象を、われわれはどう捉えているかを示したのが図 8 である。先述の温度ばかりではなく、湿度、雰囲気、酸、アルカリなどの要因に対してそれぞれの部位で、例えば、接合界面の剥離、材料のクリープ破壊、マイグレーションといった様々な物理・化学現象が起こり、最終的に製図 9 実装分野における可視化ニーズ品の故障に至る。
われわれは、車載という厳しい環境下で使われるこ

3.2 当社における実装 CAE の全体像とを想定し、どう劣化するかを考え、その対策を講じ当社の実装 CAE に関する全体像を図 10 に示した。

た開発／設計をする必要がある。そのためには、このスケールで、nm オーダから cm、m オーダの CAE を劣化現象を可視化することが重要であるという考えか使い分けている。特に最近では、より原理に迫る必要
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性から、分子レベルの CAE に力を入れている。このし、マイグレーションによる短絡であることが判明しような取り組みによってメカニズムに迫ることができた。マイグレーションのメカニズムを水がある場合にるようになってきた。今までは推定原因から対策してついて説明すると、両電極が水と接触している時に、結果が良ければ対策完了という結果系の対応で、後々陽極の金属銀が水と反応し、銀イオンとなり、水に溶問題が起こる場合があったが、原因を分析、可視化し、解する。銀イオンは電極間の電界により陰極側まで移メカニズムを考え、材料や構造の開発、加工方法の検動し、陰極での電極反応で、銀イオンは金属銀として討などにつなげていこうとしている。

析出し、これが順次起こり、枝状に伸びる。150℃という液体の水が存在しない状態での試験にもかかわらず、デンドライトが発生しているということで、発生メカニズムが当初不明であった。

図 10 当社における実装 CAE の全体像
3.3 分析・CAE による可視化事例
図 12 セラミック基板の高温マイグレーション

以下に可視化の事例を 5 つ紹介する（図 11）。

そこで、メカニズム解明のためにより詳細なミクロ解析を実施した（図 13）。
デンドライト部分を断面 SEM観察すると、アルミナの粒界に、焼結を助けるために用いたガラスの層ができ、その内部で銀が線状になっていることが分かった。

図 11 可視化事例紹介（分析・CAE）
3.3.1 セラミック基板の高温マイグレーション
最初にセラミック基板の高温マイグレーションの事
例を示す（図 12）。これはマイクロエレクトロニクス
シンポジウム MES2013 にて報告した内容である。これはセラミック基板構造の製品で、セラミック基板上
図 13 ミクロ解析によるメカニズム推定にペースト状の銀導体を印刷・焼成し、電極材料としている。
図のようなパターンで電極を形成し、電極間に電圧さらに TEM で拡大観察した結果、ガラスの中に銀印加し、150℃での高温バイアス試験を実施したところ、が約 10nm の幅で枝状になっていることが判明した。

数十時間で短絡が発生した。短絡箇所を透過光で拡大

これらの結果から、ガラス中を銀イオンが移動したと観察し、写真に示すような枝状のデンドライトが発生考えられるが、陽極でイオン化した銀が陰極までガラ
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ス中を数十時間で移動できるとは考えにくい。
そこで、るため、電極に応力がかかってクラックが発生したと銀導体の焼成工程でガラスに銀が入り込んだのではな考えている。

いかと考えた。銀導体の焼成温度が 900℃という銀のまた、ワイヤ材の銅と電極に使われているアルミニ融点に近いことから、焼成時にガス状になった銀がガウムは拡散により合金をつくる。銅とアルミニウムとラスに入っていったと考えている。
ガラスというのは、の合金はいくつかあるが、Cu9Al4 という非常に腐食し非常に大きな空隙があって、この部分に銀イオンが入やすい合金層になっている。この腐食の原因はエポキることができる。具体的には、図に示すような網目修シ中の密着付与剤に入っている硫黄化合物である。

飾イオンというサイトがあって、ここに銀がイオンと175℃で 500 時間の劣化試験を行ったところ、合金部分して入っていると考えている。電界を印加することにが硫化により腐食してオープンに至った。こういった

よって、網目修飾イオンサイトに入っていた銀イオンものの詳細を観察することで破壊の兆候をつかみ、製が陰極に移動し、金属銀として析出してデンドライト品化へとつなぐことができた。に成長し、短絡したと考えている。
3.3.2 Cu ワイヤボンディングの不具合
次の事例は高放熱パッケージで発生した不具合についてである（図 14）。発熱が大きい製品向けに放熱用のダイパッドが露出したエクスポーズドタイプのパッケージ製品を当社で生産している。この製品の開発に当たって、ボンディングワイヤを一般的な金から、低コストと大電流への対応のため、銅ワイヤへの切り替えを検討した。民生ではすでに銅ワイヤを使った事例は幾つかあるが、車特有の条件によって、そもそも内図 15 不具合事例詳細在していた因子が顕在化し、不具合が発生したという事例を２つ紹介する。部位としては、ワイヤボンディ

3.3.3 接着挙動解析

ングの電極部と合金部での不具合になる。

接着のプロセスは、接着剤が被着体に対して濡れるという現象と反応・硬化という 2 つの現象から成る。
そのため、①濡れという現象の把握と②熱など何らかのエネルギーで接着剤が反応・硬化する現象の把握が必要で、こうした一連の接着挙動を、シミュレーションや分析から把握する試みを図 16 に示した。

図 14 Cu ワイヤボンディングの不具合事例
この 2 つの事例もマイクロエレクトロニクスシンポジウム（MES）で昨年報告した事例である（図 15）。
電極部については、熱応力による故障事例で、中心部に比べて周辺に行けば行くほど応力が高くなる。チッ

図 16 接着挙動解析

プのエッジからの距離を取り、クラック比を見たグラ
フからチップの角に近いほど壊れやすくなるという現このような取り組みにより実験による試行といった象であることがわかる。金に比べて銅が硬い金属であ帰納的方法から、原理に根差した設計という演繹的方
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反応・分解する（パラメータ：反応の活性化エネルギ法への転換を図ることができると考えている。
具体的な事例を紹介する。図 17 は、nm オーダの溝ー）という素過程に分けて考える必要がある。事例でに対して、エポキシ樹脂の分子量の高低による充填性は、添加剤の量によって自由エネルギーがどう変化しをシミュレーションで確認した結果である。この結果たのかを、分子動力学で計算した結果を示である。

から、分子量が低い場合は十分充填できるが、分子量が高くなると溝に入っていかず、無理に押し込もうとすると、金属の方が負けて変形してしまう。
エポキシ樹脂の分子量が高くなると充填不良が発生することが、シミュレーションからも分かるようになった事例である。

図 18 化学物質雰囲気におけるパッケージ不具合

図 17 樹脂充填性の計算事例
3.3.4 化学物質雰囲気におけるパッケージ不具合次は、化学物質雰囲気によるパッケージの不具合事例である（図 18）。先ほどモールドパッケージ中の硫黄成分が腐食を起こすという話をしたが、周りの環境
図 19 樹脂の吸水能に対する計算事例

中の化学物質が影響して不具合が発生するということが、最近顕著になりつつある。例えば、燃料ではアルコールが混ざった粗悪な材料が使われたり、排気ガス

次の事例は、エポキシ樹脂の膨潤に関する事例で、を再利用して燃費を向上させようという際に、NOx や樹脂の吸水現象では水単体に比べ、混合エンジンオイSOx などにさらされるということを考慮する必要が出

ルの方が膨潤しやすいという実験結果がある（図 20）。てきている。このような化学物質に対してどのようなそのメカニズム解明のために樹脂高分子鎖への媒体の対策を採るべきなのかを、シミュレーションと分析等入り込みやすさを 2 つの観点で分析した（東レリサーからアプローチした事例を紹介する。

チセンター様と共同研究）。
樹脂高分子鎖が図のような化学物質は、樹脂中に拡散・浸透して樹脂を膨潤・モデルの時に、隙間に媒体である水分子が入るという分解する。接合界面では剥離、クラックが発生し、最メカニズムを想定し、水分子の大きさを FT-IR で、樹終的には金属の電極部分の腐食、断線といった不具合

脂の自由体積の大きさを陽電子消滅法で調査した。
FT-IR の分析結果から、水単体は多量体として存在に至る。こうした不具合の抜本的な解決に向けて、メし、エンジンオイル中の水は多量体だけでなく、単量カニズムの解明に取り組んでいる。

体、二量体として存在しているものがあることが分か

図 19 は、樹脂の吸水能に対する自由エネルギーを計った。

算した事例である。化学物質（この場合は水）が樹脂に浸透する（パラメータ：拡散係数）、浸透した水が溶

また、陽電子消滅法の結果から、エポキシ樹脂中に解・膨潤する（パラメータ：自由エネルギー）、そして、は水の単量体から二量体程度の大きさに広がる空隙が6The TRC News, 201708-01 (August 2017)あるということが分かった。

4. まとめこれらの分析結果は、多量体である水単体より、単量体や二量体が存在する混合エンジンオイル中の方が、厳しい車載環境により民生では問題にならない課題エポキシ樹脂に吸水されやすいという実験結果をよくが顕在化してきている。新技術の創出（課題解決）の説明できていると考えている。

ためには、原因系からのアプローチが必須であると考えている。そのためには分析や CAE 技術の活用によって見えないものを可視化することで、掘り下げが進むと考えている。このようなことから、分析・CAE 技術と材料・加工・構造、といった実装技術とを協調させて優れた車載半導体デバイスを生み出して、社会に貢献していきたいと考えている。

図 20 樹脂への拡散、膨潤分析事例
3.3.5 絶縁樹脂の劣化解析
最後に、絶縁樹脂材料の劣化解析事例を示す（図 21）。
パワーデバイスでは、高熱伝導の絶縁フィラーを含有した樹脂材料を用いることで、絶縁特性と高放熱性に対応している。従来材料の絶縁破壊試験において、絶図 22 まとめ

縁低下が速く、対策が求められていた。絶縁性の劣化は、フィラーを含有した樹脂材料の両側から電界をか石川 岳史（いしかわ たけし）

けると内部電荷が移動して電極界面で局部電界が発生

株式会社デンソー

し、さらにその局部電界が上昇すると絶縁破壊が起こ

半導体実装開発部 第 1PF 開発室るというメカニズムで進行する。

担当課長

そこで、樹脂の内部電荷分布を可視化できるシステ
ムを開発し解析を行ったところ、絶縁寿命の短い従来材料では局部的に電荷が蓄積していることが分かった。
局部的な電荷を蓄積しない材料を開発することで、絶縁特性の長寿命な材料を開発することができた。

図 21 絶縁樹脂の劣化解析
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