MITSUBISHI DENKI GIHO

特集論文

高耐熱パワー半導体モジュール
パッケージング要素技術

日野泰成＊
長谷川 滋＊
山田浩司＊

巽 裕章＊＊
横村伸緒＊＊＊
畑中康道＊＊＊

Packaging Technologies for High Temperature Power Modules
Yasunari Hino, Shigeru Hasegawa, Koji Yamada, Hiroaki Tatsumi, Nobuo Yokomura, Yasumichi Hatanaka

要旨近年，環境保護と省エネルギーを背景にパワーエレクト

しかしながら，パワー半導体モジュールの高温動作化をロニクスは民生，産業用のインバータだけでなく，電鉄，実現するためには，チップの高温動作化だけでなく，パッ自動車，太陽光発電，風力発電へと適用範囲が拡大していケージ構造及び材料の高耐熱化が重要な技術課題となってる。

いる。

その中でパワーエレクトロニクスの基幹部品であるパワ

そこで，三菱電機では高耐熱パワー半導体モジュールのー半導体モジュールに対して，効率的な電流制御，厳しい製品化に向けて，パッケージ構造，材料及びその要素技術

使用環境下における耐久性及び小型化が要求されている。

開発を加速している。

特にSiC（Silicon Carbide）を用いたパワー半導体モジュ

本稿では，高耐熱化のために必要な高耐熱パワー半導体

ールは，高速動作が可能で動作時の損失が少なく，飛躍的モジュールのパッケージング要素技術として，Agナノ粒に特性の向上を図ることができる。さらに高温動作化が可子の低温焼結性を用いた接合技術及び封止技術について述

能であり，冷却構造の小型化を図ることができるため，一べる。

（1）

段とパワー半導体モジュールの小型化が実現可能となる 。

主電極
ケース

ワイヤ
封止ベース板
絶縁基板

チップ

Agナノ粒子を用いた焼結接合部

高耐熱パワー半導体モジュールの構造
Agナノ粒子ペースト

加熱・加圧

上金型
絶縁基板
(1)

印刷

(2)

チップ

下金型

チップ搭載

(3)

加熱プレス

Agナノ粒子を用いた焼結接合プロセス

高耐熱パワー半導体モジュール
高耐熱パワー半導体モジュールの構造を示す。絶縁基板上にチップを搭載する組立手法として，Agナノ粒子を用いた焼結接合を実施し，また高耐熱性の封止材でモジュール内部を充填する。これによって，高耐熱，高信頼性の接合部を得るとともに，高耐熱，高絶縁性を満たすモジュールを得ることができる。

＊パワーデバイス製作所＊＊

生産技術センター＊＊＊

先端技術総合研究所

39（313）

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特集論文
線接続され，主電極が絶縁基板上の配線パターンに接合され1．ま え が きている。ベース板には全体を覆うケースが嵌合（かんごう）

近年，環境保護と省エネルギーを背景にパワーエレクト／接合され，内部には封止材が充填されている。また絶縁基

ロニクスは民生，産業用のインバータだけでなく，電鉄，板上のチップ接合は，主にはんだ接合が適用されていた（2）。

自動車，太陽光発電，風力発電へと適用範囲が拡大していそこで，パワー半導体モジュールの高温動作化のためには，接合材，封止材等各部材の耐熱性向上とともに，特にる。
その中でパワーエレクトロニクスの基幹部品であるパワ

温度サイクルに対する接合部の信頼性，接合寿命の向上がー半導体モジュールに対して，効率的な電流制御，厳しい（ 4）。３章以降，高耐熱化のためのパッケージ必要となる（3）使用環境下における耐久性及び小型化が要求されている。

ング要素技術として，Agナノ粒子の低温焼結性を用いた

特にSiCを用いたパワー半導体モジュールは，高速動作接合技術及び封止技術について述べる。

が可能で動作時の損失が少なく，飛躍的に特性の向上を図

3．パッケージング要素技術ることができる。さらに高温動作化が可能であり，冷却構造の小型化を図ることができるため，一段とパワー半導体

3. 1焼結接合技術

パワー半導体モジュールの動作温度の高温化に伴い，従モジュールの小型化が実現可能となる。
しかしながら，パワー半導体モジュールの高温動作化を来のSn系はんだ材では限界が予測される。そこで，有機実現させるためには， チップの高温動作化だけでなく，保護被膜で覆われたナノサイズの金属微粒子を用いて，粒パッケージ構造及び材料の高耐熱化が重要な技術課題と径が小さくなると融点が低下するという 融点降下現象 をなっている。

用いた焼結接合を検討した。

そこで，当社では高耐熱パワー半導体モジュールの製品

接合材料は，有機保護被膜に覆われたAgナノ粒子に加化に向けて，パッケージ構造，材料及びその要素技術開発

えて，焼結分散性，粘性，耐乾燥性を考慮した数種類の溶を加速している。

剤から構成されている。加熱によって溶剤が揮発し，有機保護被膜を熱分解させることで，Agナノ粒子が接触し，2．パワー半導体モジュール

A g の融点以下で焼結し合い接合するという原理である

パワー半導体モジュールのパッケージ外観を図１に，主（図３）。これによって，金属固有の融点を持った高耐熱の要構造を図２に示す。 ベース板上に絶縁基板が接合され，絶縁基板上にはチップが接合されている。チップ上面電極

Agナノ粒子(表面エネルギー高)
溶剤と絶縁基板上の配線パターン間はアルミなどのワイヤで配Ag

Ag

Ag
Ag

Ag

有機保護被膜(Agナノ粒子の接触を防止)
加熱
溶剤揮発

図１．パワー半導体モジュール
ケース

ワイヤ封止

チップ

はんだ

主電極

加熱
有機保護被膜の熱分解

拡散
絶縁基板

ベース板

図２．パワー半導体モジュールの構造
40（314）

Agナノ粒子が接触し焼結

図３．Agナノ粒子の焼結接合模式図

三菱電機技報・Vol.88・No.5・2014

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特集論文接合部を得ることができる。今回，ナノサイズのAg粒子

3. 1. 2

信頼性試験を適用しているため，従来のSn系はんだ材と同等レベル

電鉄，自動車向け等，より厳しい温度環境下でパワー半の加熱温度で接合が可能であり，接合後は900℃以上の融導体モジュールを用いる場合，構成されるパッケージ内の点を持った接合部を得ることができた。

各部材間の熱膨張差に起因した熱応力が，接合部に対し亀3. 1. 1裂を生じさせるため，今回，信頼性試験として，パワーサ

Agナノ粒子を用いた焼結接合プロセス

図４に示すように，Agナノ粒子が分散されたペースト状の材料を用いて，絶縁基板上にスクリーン印刷する。次イクル試験及び温度サイクル試験を実施した。
盧

パワーサイクル試験に，チップを所定の位置に搭載し，加熱プレスすることにAgナノ粒子を用いた材料に加えて，今回比較対象としよって，焼結接合させる。なおチップ搭載及び加熱プレスて，はんだ材（Sn−Ag−Cu−Sb系）を用いた基礎評価用サ工程は， 焼結接合専用の試作設備を開発・導入し， 複数ンプルを準備し，Agナノ粒子を用いた焼結接合同様にパチップの搭載及び一括加熱プレスを可能としている。チッワーサイクル試験（Tjmax＝175℃，ΔTj＝90K）を実施しプ搭載機及び加熱プレス機を図５に示す。て検証を行った。その結果，Agナノ粒子を用いて焼結接

次に，上記接合プロセス手法に基づいて，基礎評価用サ合したサンプルは，はんだ材を用いて接合したサンプルとンプルを作製し（図６），Agナノ粒子を用いた焼結接合部比較して約5倍のパワーサイクル寿命があることが分かっに対する信頼性を確認した。

た。次に，パワーサイクル試験後の接合部を検証するため断面観察を実施した。その結果を図７に示す。はんだ接合

Agナノ粒子ペースト

加熱・加圧部では網目状の亀裂が認められたが，一方Agナノ粒子を用いた焼結接合部では，亀裂進展はなく良好な結果を得た。
つまりAgナノ粒子を用いた焼結接合は，パワーサイクル上金型寿命に対し支配因子にならないと考えられる。
絶縁基板

盧

下金型

チップ

印刷

盪

チップ搭載蘯盪

加熱プレス

図４．Agナノ粒子を用いた焼結接合プロセス

温度サイクル試験−40〜175℃（ΔT＝215K）の温度変化を与える温度サイ

クル試験で，Agナノ粒子を用いた焼結接合部に対する亀裂進展を検証した。初期，300サイクル，600サイクル，900サイクル耐久後のSAT（Scanning Acoustic Tomography）画像を図８に示す。耐久サイクル数の増加に伴い接合部に対し極微小な白色部が確認されたが，目立った剥離はないことを確認した。次に，温度サイクル試験後（900サ

Agナノ粒子を用いた焼結接合部

はんだ接合部

秬チップ搭載機秡加熱プレス機

図５．焼結接合の試作設備
50µm

秬

主電極

50µm

はんだ接合

秡

Ag粒子を用いた焼結接合

図７．パワーサイクル試験後の断面

ケース

ワイヤ
封止ベース板

秬
絶縁基板

チップ

Agナノ粒子を用いた焼結接合部

図６．高耐熱パワー半導体モジュールの構造

0秡

300秣

600稈

900(サイクル)

図８．温度サイクル試験後のSAT画像

高耐熱パワー半導体モジュールパッケージング要素技術・日野・長谷川・山田・巽・横村・畑中41（315）MITSUBISHI DENKI GIHO

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4．むすび

パワー半導体モジュールの高温動作化を実現するために，Agナノ粒子を用いた焼結接合部

高耐熱パワー半導体モジュールのパッケージング要素技術として，Agナノ粒子の低温焼結性を用いた接合技術及び封止技術について述べた。 高信頼性， 高寿命を達成した
Agナノ粒子を用いた焼結接合技術，高耐熱，高絶縁性を50µm達成した封止技術のように，高耐熱パワー半導体モジュー
図９．温度サイクル試験後（900サイクル耐久後）の断面

ルの製品化実現には，革新的なパッケージ設計，材料及び製造プロセスの開発が必要であると考える。
今後，長年蓄積してきた，当社のパワー半導体モジュー

表１．高耐熱性封止材の特性及び試験結果
現行封止材

高耐熱封止材ルのパッケージング要素技術及び量産技術を踏まえ，次世耐熱付与剤

A

B

代の高耐熱パワー半導体モジュールの開発をさらに加速さ

接着性Cu箔（はく）ピール強度（gf/cm）

80159

耐熱性

針入度（注1）変化（215℃−1,000hr） 半減部分放電特性

175℃測定r/n（注2）

変化なし

５hr

０/６０/６10hr

２/６０/６100hr

２/６０/６（注１） ゲル硬度を表す指標（注２） 部分放電NG発生確率

せ，製品化の推進に引き続き取り組み，環境保護及び省エネルギー社会構築に貢献していく所存である。

参 考 文 献盧

マジュムダール ゴーラブ，ほか：パワーモジュールの最新技術動向，三菱電機技報，8 6 ，No.5，262〜266（2012）

イクル耐久後）の断面画像を図９に示す。Agナノ粒子を用いた焼結接合部で顕著な剥離進展は確認されなかった。
3. 2

盪封 止 技 術（2012）
蘯に，高耐熱性の封止材を検討した。耐熱付与剤を改良することによって耐熱性を向上させ，また組成の適正化を図る
ことによって接着性を向上させ，剥離を抑制させることに

滋，ほか：1.7kV大容量ハイブリッドSiCモジュール， 三菱電機技報， 8 6 ， N o . 5 ， 2 8 7 〜2 9 0

パワー半導体モジュールの絶縁性を確保するために，封止（ゲル）が必要である。そこで，絶縁性を確保するととも

長谷川

加柴良裕，ほか：半導体年鑑2014，日経BP，217〜227（2013）盻

日経エレクトロニクス編：次世代パワー半導体，日経BP，160〜185（2012）

よって，部分放電特性の向上を図った。高耐熱性の封止材の特性及び試験結果を表１に示す。その結果，高耐熱，高絶縁性の封止を得ることができた。

42（316）三菱電機技報・Vol.88・No.5・2014