〈一般研究課題〉 自動車の電動化に向けた次世代パワー半導体実装に関する研究
助 成 研 究 者

大同大学

山田靖

自動車の電動化に向けた次世代パワー半導体実装に関する研究
山田 靖（大同大学）

A study of next-generation power semiconductor packaging
for automobile electrification
Yasushi Yamada(Daido University)

Abstract：
Next-generation power semiconductor devices such as wide band-gap SiC or GaN devices arebeing actively developed to achieve more efficient and smaller electrical invertors. Important
advantages of such devices are their reduced size and their ability to operate at temperatures inexcess of 200°C; however, such features can lead to high heat flux or significant thermal stress.
Power device packaging of those devices requires higher reliability such as high temperature
operation, durability of thermal stress, etc. The packaging technology included new materials andprocesses. In this study, several component technologies of the packaging have been carried out.
A joint of Sn-Cu alloy has been fabricated using a thin Sn film and a Cu substrate, high melting
temperature of SnCu alloys were found in the joint. However, it was found that the joint wasconsisted of two composition of Sn-Cu alloy. Two types of thermal sheets were examined forthermal resistance measurement with various fastening torques. Higher torques showed lower
thermal resistances, this results seems to reduce interface thermal resistances between the thermal
sheet and the substrate or heatsink. Anisotropic graphite material was examined for a substrate of
the packaging. The graphite shows higher thermal conductivity and lower thermal expansion for
two directions, on the contrary, lower thermal property and higher thermal expansion for one
direction. A symmetrical laminated graphite substrate showed lower thermal resistance than the Cu－ 137 －

substrate, in addition better reliability of power and thermal cycling tests.
１．はじめに地球全体でのCO2 削減や、都市部の有害排ガスの低減に向け、充電式電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池自動車等、自動車の電動化が急速に進んでおり、今後は主流になることが予想されている。
それらの自動車には、電力変換するために、トランジスタやダイオード等のパワー半導体デバイスを多数実装したインバータやDC-DCコンバータ等の機器が用いられるが、大電流による自己発熱が大きい、搭載スペースが狭い、エンジン等からの排熱があるため周囲の熱環境が厳しいなど、従来のSi半導体の温度上限である150℃までの範囲で動作させることは、制約が多い状況であった。
近年、次世代の半導体材料であるSiCやGaNを用いたパワー半導体デバイスの研究が進み、現時点ではデモ的であるが、一部の自動車や電車に搭載されている。これらの半導体は、その物性上250℃以上の高温動作が可能であるため、特に自動車の用途ではメリットがある。その際、その半導体デバイスを基板等に実装するための材料やプロセス技術も必要となるが、従来の実装材料やプロセスでは、コスト、有害性、熱応力に対する信頼性など、適用できる技術が少なく、新規な実装技術が必要となっている[1-6]。
2．試料および実験方法
パワー半導体デバイスの実装構造は、スイッチング素子を含む電気回路を構成しつつ、そのデバイスで発生した熱を冷却器まで効率良く伝えるため、デバイス、基板、放熱板、冷却器等を積層化し、その間を接合技術により貼り合わせた構造が用いられる。本研究では、それらの要素となる技術として、金属系接合技術、伝熱シート接合技術、基板技術に関して検討を行った。
2.1 金属系接合技術
パワー半導体デバイスの近傍には、金属系の接合技術が用いられる。これは、高い熱伝導率や導電率が求められるためである。この接合では、熱伝導性や電気伝導性に加えて、動作温度以上の耐熱性が必要であるが、接合時にデバイスを変質・破壊させないために、400℃程度以下のプロセス温度であることも求められる。
現時点で知られている200℃以上の耐熱性を持つ金属系の接合技術の概要を図1に示す[7]。従来
は、主にはんだ接合が用いられてきたが、200℃以上の耐熱性を示すはんだは、有害なPbを含むものか、高価なAuを含むものしかなく、その他のはんだ材料は研究段階にある。近年では、はんだに代わり、AgやCuなど高熱伝導材料のナノ粒子を焼結させて接合する技術が広く検討されている。
一方、Snのみを溶融させて固体のCu等と反応させ、高融点の合金を生成しながら接合する方法もあり、安全性やコストの点でメリットがあるが、完全に反応層できるか否かなど不明な点が多い。
そこで本研究では、薄いSnシートを用いて、デバイス側のNi電極と基板側のCuとを反応させてSnCuの合金接合ができるか否かを検討した(図2)。
デバイスとして、裏面にNi電極を形成したSiチップと、基板としてメッキのないCu板を準備し－ 138 －た。その間に、薄いSnシートを挟み、空気中で加熱を行った。作製した試料は接合断面を機械研磨し、SEMによる観察とEDXによる元素分析を行った。

図2

試料作製方法図 2 試料作製方法

図図1 1 200℃以上の耐熱性を示す金属接合技術
200℃以上の耐熱性を示す金属接合技術
図 2 試料作製方法
2.2
伝熱シート接合技術
2.2 伝熱シート接合技術
図 1 200℃以上の耐熱性を示す金属接合技術
次に、伝熱シート接合技術に関して検討した。伝熱シートは一般に有機物であり熱伝導率が低い
次に、伝熱シート接合技術に関して検討した。伝熱シートは一般に有機物であり熱伝導率が低い
ために、熱流束の高いデバイス近傍でなく、放熱板と冷却器との間等に用いられることが多い。そために、熱流束の高いデバイス近傍でなく、放熱板と冷却器との間等に用いられることが多い。そ2.2 伝熱シート接合技術の伝熱シートには種々の市販品があるが、シート単体の熱特性と、放熱板等と積層化した際の熱特の伝熱シートには種々の市販品があるが、シート単体の熱特性と、放熱板等と積層化した際の熱特次に、伝熱シート接合技術に関して検討した。伝熱シートは一般に有機物であり熱伝導率が低い性は大きく乖離することが多い。その原因は、シートと放熱板等との界面熱抵抗によるものである性は大きく乖離することが多い。その原因は、シートと放熱板等との界面熱抵抗によるものである
ために、熱流束の高いデバイス近傍でなく、放熱板と冷却器との間等に用いられることが多い。そことが推測された。
ことが推測された。の伝熱シートには種々の市販品があるが、シート単体の熱特性と、放熱板等と積層化した際の熱特
そこで、放熱板と冷却器との間に伝熱シートを挟み、締付トルクに対して熱抵抗がどのように変そこで、放熱板と冷却器との間に伝熱シートを挟み、締付トルクに対して熱抵抗がどのように変性は大きく乖離することが多い。その原因は、シートと放熱板等との界面熱抵抗によるものである化するかを調べた。図3および表1に示すように、2種類の伝熱シートに対して熱抵抗を測定し、比化するかを調べた。図 3 および表 1 に示すように、2 種類の伝熱シートに対して熱抵抗を測定し、ことが推測された。
較を行った。
比較を行った。
そこで、放熱板と冷却器との間に伝熱シートを挟み、締付トルクに対して熱抵抗がどのように変表 1 伝熱シート接合検討用試料の緒言
表 1 伝熱シート接合検討用試料の緒言化するかを調べた。図 3 および表 1 に示すように、2 種類の伝熱シートに対して熱抵抗を測定し、比較を行った。
表 1 伝熱シート接合検討用試料の緒言

図3

伝熱シート検討用試料

図 3 伝熱シート検討用試料
2.3 基板技術
基板技術
2.3
図 3 伝熱シート検討用試料
最後に、基板材料に関して検討した。基板には熱特性やコストの面で Cu 板が用いられることが最後に、基板材料に関して検討した。基板には熱特性やコストの面でCu板が用いられることが多い。しかし、デバイスである半導体材料との熱膨張係数差が大きいため、温度サイクル等の信頼多い。しかし、デバイスである半導体材料との熱膨張係数差が大きいため、温度サイクル等の信頼2.3 基板技術性を考慮すると、低熱膨張係数で高熱伝導率のものが望ましいが、一般に金属材料では、両者は背性を考慮すると、低熱膨張係数で高熱伝導率のものが望ましいが、一般に金属材料では、両者は背最後に、基板材料に関して検討した。基板には熱特性やコストの面で Cu 板が用いられることが反する。
反する。
多い。しかし、デバイスである半導体材料との熱膨張係数差が大きいため、温度サイクル等の信頼
そこで、本研究では、3方向中の2方向に低熱膨張係数と極めて高い熱伝導率を示すグラファイ性を考慮すると、低熱膨張係数で高熱伝導率のものが望ましいが、一般に金属材料では、両者は背反する。

3－ 139 －3そこで、本研究では、3方向中の 2 方向に低熱膨張係数と極めて高い熱伝導率を示すグラファイト材料に着目した[8-10]。このグラファイト単板では、強度が低くメリットがないが、図4に示す
そこで、本研究では、3方向中の 2 方向に低熱膨張係数と極めて高い熱伝導率を示すグラファイト材料に着目した[8-10]。このグラファイト単板では、強度が低くメリットがないが、図4 に示す
ように、方向を90°変えた板を上下対称に3層に積層化（以下HT3層）することで、機械的強度が高ト材料に着目した[8-10]。このグラファイト単板では、強度が低くメリットがないが、図4 に示す
ように、方向を90°変えた板を上下対称に 3 層に積層化することで、機械的強度が高まり、低熱まり、低熱膨張で高熱伝導になる見込みが得られた。そこで、ヒータチップを積層した試料を作製ように、方向を90°変えた板を上下対称に 3 層に積層化することで、機械的強度が高まり、低熱膨張で高熱伝導になる見込みが得られた。そこで、ヒータチップを積層した試料を作製し、熱抵抗し、熱抵抗測定(図5)と、パワーサイクルや冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を検討した。また、膨張で高熱伝導になる見込みが得られた。そこで、ヒータチップを積層した試料を作製し、熱抵抗測定(図5)と、パワーサイクルや冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を検討した。また、有限要素有限要素法を用いて熱解析と構造解析を行い、実験結果との比較を行った。
測定(図 5)と、パワーサイクルや冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を検討した。また、有限要素法を用いて熱解析と構造解析を行い、実験結果との比較を行った。
法を用いて熱解析と構造解析を行い、実験結果との比較を行った。

図4積層グラファイトの構造

図5

試料の構造と測定系

図 4 積層グラファイトの構造

図 5 試料の構造と測定系

図 4 積層グラファイトの構造

図 5 試料の構造と測定系

3．実験結果3. 実験結果
3.1 金属系接合技術
3.1実験結果
金属系接合技術
3.
作製した試料の断面をSEMにより観察した結果、図6に示すように、接合層が2層に分かれてい
3.1作製した試料の断面を金属系接合技術
SEM により観察した結果、図 6 に示すように、接合層が 2 層に分かれてる様子が見られた。そこで、それぞれの箇所に対して元素分析した結果(図7)、基板に近い側(分析作製した試料の断面をSEM により観察した結果、図 6 に示すように、接合層が2 層に分かれている様子が見られた。そこで、それぞれの箇所に対して元素分析した結果(図7)、基板に近い側(分箇所3)は、CuとSnの強度比でCuが高いことから、(Cu,3 Snであることが考察された。一方、デいる様子が見られた。そこで、それぞれの箇所に対して元素分析した結果(図7)、基板に近い側(分析箇所3)は、Cu と Sn の強度比で Cu が高いことから、(Cu, Ni)Ni)
一方、3Sn であることが考察された。
バイスに近い側(分析箇所4)はCuとSnの強度比でSnが高く、(Cu,Ni)6Snであることが考察された。
6 Snであることが考察さ析箇所3)は、Cu と Sn の強度比でCuとが高いことから、(Cu,Ni)3Sn であることが考察された。
一方、デバイスに近い側(分析箇所4)は Cu
Sn の強度比で Snが高く、(Cu,Ni)
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デバイス側の電極はNiであるため、反応時に、基板側のCu元素の供給が不足していることが考察
デバイスに近い側(分析箇所4)はCu と Sn の強度比で Sn が高く、(Cu,Ni)6Sn5 であることが考察された。デバイス側の電極はNiであるため、反応時に、基板側のCu 元素の供給が不足していることれた。デバイス側の電極はNi であるため、反応時に、基板側の Cu 元素の供給が不足していることされた。なお、2層に分かれているもののいずれも合金層であり、Sn単相は見られていない。
が考察された。
なお、2 層に分かれているもののいずれも合金層であり、Sn 単相は見られていない。
が考察された。
なお、
2 層に分かれているもののいずれも合金層であり、Sn 単相は見られていない。
3 Snの融点は640℃、また、Cu
6 Sn 5 の融点は415℃であることから、いずれも400℃以上の融点でCuの融点は640℃、また、Cu415℃であることから、いずれも400℃以上の融点で3SnCu
6Sn5 の融点はCuの融点は 640℃、また、Cu6Sn5 の融点は 415℃であることから、いずれも 400℃以上の融点であり、250℃程度のパワー半導体の高温動作に対して、適用できる可能性のあることがわかった。
3Snあり、250℃程度のパワー半導体の高温動作に対して、適用できる可能性のあることがわかった。
あり、250℃程度のパワー半導体の高温動作に対して、適用できる可能性のあることがわかった。

図 6 CuSn合金接合の断面44 － 140 －図 7 (a)図 7 (b)

分析箇所 3

図7(a)分析箇所 4

図7(b)－ 141 －

2.2 伝熱シート接合技術
2.2 伝熱シート接合技術
2種類の伝熱シートに対して、締付トルクを変えて熱抵抗を測定した結果を図8に示す。いずれ2 種類の伝熱シートに対して、締付トルクを変えて熱抵抗を測定した結果を図 8 に示す。いずれも締付トルクに対して、トルクが増加すると、熱抵抗が大幅に減少する様子が見られた。図8(a)はも締付トルクに対して、トルクが増加すると、熱抵抗が大幅に減少する様子が見られた。図 8(a)は硬いシートであり、トルクが低い条件では熱抵抗が変わらず、0.1Nmの大きなトルクで半分程度に硬いシートであり、トルクが低い条件では熱抵抗が変わらず、0.1Nm の大きなトルクで半分程度に減少した。一方、図8(b)は柔らかいシートであり、トルクの増加と共に熱抵抗が減少した。
減少した。一方、図 8(b)は柔らかいシートであり、トルクの増加と共に熱抵抗が減少した。

このようなトルクに対して熱抵抗が減少する挙動は、接合界面における空気層の存在であること
このようなトルクに対して熱抵抗が減少する挙動は、接合界面における空気層の存在であることが推定された。そこで、有限要素法を用いた熱解析により、シート上下に薄い空気層のモデルを入が推定された。そこで、有限要素法を用いた熱解析により、シート上下に薄い空気層のモデルを入れて、実験値と比較した。その結果、定性的ではあるが、数μmの空気層の存在と整合する様子がれて、実験値と比較した。その結果、定性的ではあるが、数μm の空気層の存在と整合する様子が見られた。
見られた。
これらの結果から、伝熱シートをパワー半導体の実装に用いる場合は、シート材料の熱物性値のこれらの結果から、伝熱シートをパワー半導体の実装に用いる場合は、シート材料の熱物性値のみでなく、被接合材料との界面の状態を十分に考慮する必要があることがわかった。
みでなく、被接合材料との界面の状態を十分に考慮する必要があることがわかった。

図 8 (a) COH- 4000 LVCの場合

図 8 (b) COH- 1016 LVCの場合

3.3 基板技術作製した3層構造の基板を用いた試料(HT3層)の熱抵抗を測定した。比較のために、同じサイズのCu板およびCu-65Mo板を用いたものも測定した。それらの結果を図9に示す。HT3層を用いた
図 8(a) COH-4000LVC の場合
図 8(b) COH-1016LVC の場合ものは、Cuよりも低熱抵抗であり、これはグラファイトの高熱伝導性の効果であると思われる。
また、熱解析の結果を図10に示す。これらの結果から、測定値と解析値は良く一致していることがわかる。
3.3 基板技術
また、同じ構造の試料を用いて、パワーサイクル試験(65/150℃および65/200℃)を行った結果、作製した 3 層構造の基板を用いた試料(HT3 層)の熱抵抗を測定した。比較のために、同じサイズ
図11に示すように、Cu板を用いたものに比べ、信頼性の高い結果が得られた。さらに、冷熱サイの Cu 板および Cu-65Mo 板を用いたものも測定した。それらの結果を図 9 に示す。HT3 層を用いたものは、Cu よりも低熱抵抗であり、グラファイトの高熱伝導性の効果であると思われる。また、
クル試験(-40/150℃)でも同様の結果(図12)が得られた。以上のことから、グラファイト3層構造の熱解析の結果を図 10 に示す。これらの結果から、測定値と解析値は良く一致していることがわか
基板は、高熱伝導率と低熱膨張係数の背反をブレークスルーできる可能性のあることが考察される。
た。
また、同じ構造の試料を用いて、パワーサイクル試験(65/150℃および 65/200℃)を行った結果、
図 11 に示すように、Cu 板を用いたものに比べ、信頼性の高い結果が得られた。さらに、冷熱サイ

6－ 142 －クル試験(-40/150℃)でも同様の結果(図 12)が得られた。以上のことから、グラファイト 3 層構造の基板は、高熱伝導率と低熱膨張係数の背反をブレークスルーできる可能性のあることが考察された。

図9熱抵抗の測定結果

図 10

図 9 熱抵抗の測定結果

熱抵抗の解析結果

図 10 熱抵抗の解析結果(a)65/150℃の場合(b)65/175℃の場合

図 11 パワーサイクル試験結果
図11 パワーサイクル試験結果

図 12

図 12

冷熱サイクル試験結果

冷熱サイクル試験結果

4．まとめ
自動車の電動化に対して、次世代パワー半導体の実装技術に関して検討した。今後は、上記で得7られた要素技術を結集し、より性能の高いパワー半導体実装構造を検討する予定である。

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謝辞
本研究にご協力頂きました、株式会社アルテクス様、丸文株式会社様、株式会社サーモグラフィ
ティクス様、研究室の学生各位に感謝します。
参考文献[1] Neudeck PG, Okojie RS, Cchen L-Y. High-temperature electronics-a role for wide bandgap.
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[5] T. Ishizaki, A. Kuno, A. Tane, M. Yanase, F. Osawa, T. Satoh, Y. Yamada, Reliability of Cu
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[7] 山田靖, 自動車用パワー半導体実装技術に向けた接合材料, 電材ジャーナル, Vol.630, (2016) 1216.
[8] 竹馬克洋, 高熱伝導性カーボン「PYROID HT」, 月刊コンバーテック, 加工技術研究会, 通巻427(2008) 123-127.
[9] 久野敦輝, 澤木聖斗, 成田恭典, 山田靖, 竹馬克洋, 炭素系異方伝熱材料のパワー半導体放熱板への可能性, MES2014 (第24回マイクロエレクトロニクスシンポジウム) (2014) 57-60.
[10] 柳瀬匡史, 久野敦輝, 伊藤晃平, 高橋直也, 中山雄成, 山田靖, 竹馬克洋, 炭素系異方伝熱材料の積層化による放熱板の適用可能性, 第29回エレクトロニクス実装学会春季講演大会 (2015) 243246.

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