次世代パワーエレクトロニクス
プロジェクト

研究概要集

平成23年2月23日

財団法人

神奈川科学技術アカデミー

������������������������� �������������� �����������������������������������

��������� �����������������
����� �����������������������������������������
������������������������������������������������������������������ �����������
������������������� ���� ��������� �����������������
���������������������������������� �����������
��������� ������������������������
��������������
���� �����������������������������������������
����������������������� ����������������������
����������������������������������������������
����������������������������� ����������������
�������� ����������������������� ������������������
�������������������������������
�������������� ������������������������������

����������
���� �����������������������������������������
��������������� ������������������������������
��������������������������������
�������������� ������������������������������

�����������
���� �����������������������������������������
��������������� ������������������������������
������������������������� ��������������������
���������������������� �����������������������
�������������������������� �������������������
�������������������������������� �������������
������������������������������� ��������������
��������������������� ������������������������
������������������������
������������ �����
�������� ���� ��������������������������������������������� ���������
������������ ��������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������ �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������ �����������������������������������������������������
��������������������������������� ����������� ����������������������������������������������
��������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������� ������������������������� �������������������������������
������������������������������������������������������
��������� ������������� �� ����������������������� ������ ��������� ����� ������������������������������� ��������
������������������������������������
������������������
�����������������������������������������������������
��������������������������������� � �������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������
�
�����
�
���
����
������������� ����� �������������
������ ������� ���� ������� ������� ������������� ���
������
��������
�� ����� ������������� ���
����
�
��
��
�����������
�� ����
������������
�����������
�
����
����
�
�� �������������������
�������������������������������������� � ���������������
������������������������������� ������������������������
���������������� ����� ������� ����� ��������������������������
�������������������� ��� �������� �������������������������
��������������

－1－

�

�� ����������������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

��������

����

���

����

’ 07��08’ 08��09’ 09��10’ 10��15������
���Si������
������
����
���

Si

SiC

SiC(GaN)?

5~20W/cm3

20~30W/cm330~80W/cm3

100W/cm3

175�

200�

200�

��� �200���� �150�
��� �300�
��� �200�
�����2.5W/mK �����5.0W/mK �����5.0W/mK �����10W/mK�����40ppm
�����40ppm
�����10ppm
�����10ppm
����������
�������,������

����
���
��

���������
���

���Au,Ag������������������

�����Su�Ag�Cu SiC��������
����,�������
Pb������,���� ��������
,�������
���������
��������

������������������������������������������������������
���������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
��� NPO �� YUVEC/������������������������������ ��������������
������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������
�����������������������������������
������������
����� ������������ �����������������
��������������
�����
�����
��� ���
���� ���
�������������

����������������������

����������� ����������

��������������� �����������������������������

����������� ����������

��������������� �����������������������������

�������������� ����������

������������������ �������
������������������������������������� ���

�

�

�

������

������������� ������������� ���

�������

����������� ������������� ���

�������

����������� ����������

��������� ���� ���

�

�

�

��������������������� ��������������� ������������� ���

������

����������� ������������� ���

������

���������

�������������� ���

������

���������

�������������� ��

������

���������

�������������� ���

��������������������� �������������

�����������

－2－

�

�

��������� ������

��������������������� �����

����������� ����������

������

������

����������

�����������

�

�

�

������������������

����������� ����������

��������������� ������������������������

����������� ����������

������������������ ��������� ���

������

������������ ������������ ���

������

����������� ������������� ���

������

����������� ������������� ���

������

���������

�������������� ���

������

���������

�������������� ���

������������������

����������

�������������� ���

������������������

����������

�������������� ���

������

���������

�������������� ���

������

���������

�������������� ���

������

���������

�������������� ���

��������������������� �������������

�������������� ���

����������������������� �������������

�������������� ���

������������������������

���������

�������������� ���

������������������������

���������

�������������� ��

������������������������

���������

�������������� ��

������������������������

���������

�������������� ����

������������������������

���������

�������������� ��

������������������������

���������

�������������� ���

���������������������������

���������

�������������� ���

���������������������������

���������

�������������� ���

���������������������������

���������

�������������� ��

���������������������������

����������� ������������� ���

������

������������ ������������� ����

������

����������� ������������� ����

������

����������

���������������������������������� � ��
���� ���
�

�

�

�

�
�

����������

�����������
����������� ��������������������������������������������������
5.5kWh �������������� 1 ������� 100�������������������km/kWh��
18km/kWh ������� �������������������������������������� SAZZ-1 ������� 98�������� 30kW � 4 �� SAZZ-1 ����������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������� ��������������SAZZ ��������� 4 �����������������15kw ����� 99������ 40kw/� ���������������������
� KAST-EV ��������������������������������� 2 ��������������

－3－�����������������(2011 � 1 ���)�����������������������������
���������������JC08 �����������������������������”��“�����������������������km/(kWh/ton)�����14.5 ���������������������
��������������������������������������
��������������������JC08 ������������������������� 1 ����������������������������������������������������������
���������������������������������������
�����������
�����������������������������������
������������� 200������������� 5W/mK ������� 10ppm �����������
���������������������������������������BN�������������
������60vol%��������� 5W/mK������ 10�12ppm/mK ������������������
��������
��������� SiC �������� 300��������������������������������
��(1)� ��-�-������������������������������������������������
���������������������������������������������������
(2)� SiC ������������������ Ag �������Au ������Sn ��������������
�����������������������������������������������������
���������������������
������������ SiC ������������������
��������������
(3)� ���������������������������������������������������
�����������Ag �������������SiC �������������������������
�����������������������������������������������������
������� 21 ����������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������
������������������������������������������������������
�������
(1)� ��������������������������������������� 20MPa ���������
���������������
(2)� ���������������������������� 5���cm ������� 150W/m�K �������
���� 15���cm ���50W/m�K �����������������������

(3)� ������������������������������������������������300��
1000 ����������-50��+300��300 ������������������������������
���������
(4)� ������������������������������������ in-situ ������������
�����������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
�������������

������������
EV ���������������������������������������������������
�������� 1 ������������������� 1 ��������1 ����������������

－4－������������������������������������������������������
������������������������������������������ ������������� 40kW/� ������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������
�������������EV ��������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������
�����������������������������
����������������������������������������

�����������������������������������

�������������������������������

���������������������������

������������������������������������

������������������������������

�������350���������������50��350�����������������������

������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������������������������������������

����������
��������
1. A, Kawamura, M. Pavlovsky and Y. Tsuruta�
State-of-the-Art High Power Density and High Efficiency DC-DC Chopper Circuits for HEV and FCEV
Applications
Prezeglad Electrotechniczny, ISSN 0033-2097, R-84

NR9/2008, 1-13, 2008

� (same as EPE-PEMC plenary speech, Poland, 7-20 (2008))
2. Y.Tsuruta, Y. Ito and A. Kawamura�
Snubber-Assisted Zero-Voltage and Zero-Current Transition Bilateral Buck and Boost Chopper for EV Drive
Application and Test Evaluation at 25kWIEEE Trans. on Power Electronics, Vol.56, No.1, 4-11 (2009)��������
3. ��������������
In situ ����������-N-�������������������������������������
���������������
������,562-572, 65[9] (2008)－5－

4. ����������
In situ ��������������������
����������,175-186,29[3] (2008)
5. �����
�������������������������������������
�������(2009.3)
6. Tadahiro Shibutani, Qiang Yu, Masaki Shiratori, Michael G. Pecht�
Pressure-Induced Tin Whisker Formation
Microelectronics Reliability, Vol. 48, 1033-1039 (2008)
7. Tadahiro Shibutani, Ji Wu, Qiang Yu, Michael Pecht�
Effect of Process-Induced Voids on Isothermal Fatigue Resistance of CSP Lead-Free Solder Joints
Microelectronics Reliability, Vol. 48, 1613-1627 (2008)
8. K.Shinohara and S.Georgescu:
Inovation Diffusion Modelling
Far East Jouenal of Applied Mathematics, Vo.37, No.3, 237-259 (2009)
9. K.Shinohara:
Adjoint variable Method for Drag Reduction Under Oseen Flow
International Journal of Numerical methods and Applications, Vol.2, 1-46 (2009)10. ���������������

In situ ����������������������������������
������ Vol.66. No.6, 217-224 (2009�
11. K. Shinohara and Q. Yu:
Evaluation of Fatigue Life of Semiconductor Power Device by Power Cycle Test and Thermal Cycle Test Using
Finite Element Analysis
Engineering, 2(2010), 1006-1018 (2010)
12. K. Shinohara and S. Georgescu:
Modelling Adopter Behaviour Based on the Navier Stokes Equation,
ISRN Mathematical Analysis, Vol. 2011, Article ID 894983, 10 pages, 2011. doi:10.5402/2011/894983
13. K. Shinohara:
Swimmer Simulation Using Robot Manipulator Dynamics Under Steady Water,
Natural Science, Vol.2, No.9(2010), 959-967 (2010)
14. K. Shinohara and S. Georgescu:
Space-Time Innovation Diffusion Based on Physical Analogy,－6－(2011)

Journal of Enterprise Transformation,(submitted)
15. K. Shinohara:
Optimal Trajectory of Underwater Manipulator Using Adjoint Variable Method for Reducing Drag,
Modelling and Simulation in Engineering, (submitted)
16. �����������������������
��������������������������������������
�������������,� Vol012, No3,238-247� (2009)17. �����������������
����������������������������������
��������������Vol. 12 No.4 320-332� (2009)18. �������������
�����������������������������
������������75 � 755 � 39-46 (2009)29. ����������������
����������������������������
������������75 � 755 ��63-68(2009)

30. �����������������������
������������������������,������������(2009)31. ����, ��, ����, ����,� �����
������������������������������ ����������������������
���,�������������, Vol.12 No.7 (2009.11)
32. ����, ��, ����, ����,� ����,������������������������������� ����������������������
�����”,
�������������, Vol.12 No.7 (2009.11)
33. ������������������������
����������������������������������������������������
���������
�������������,12,7,643-650 (2010)
34. Takashi Anzawa, Qiang Yu, Masanori Yamagiwa, Tadahiro Shibutani, Masaki Shiratori :Reliability Evaluation on Deterioration of Power Device Using Coupled Electrical-Thermal-Mecahnical Analysis,
Journal of Electronic Packaging (ASME JEP),132,Iss.3Selected Paper(ThETA2)－7－

35. T.Oyama, Y.Shimizu, A.Takahashi�Effect of Maleimide Compounds on Patten-forming Property of Photosensitive Polyimide Based on
Negative-tone Reaction Development Patterning
Journal of Photopolymer Science and Technology, 23(1),141 (2010)
36. S.Tsuda et al,�Application of Biomass-Derived Lignophenol to Epoxy Resin
Japanese Journal of Polymer Science and Technology, 67 (9),497 (2010)37. �������������������������������������
��������������������������
������������������No.15�pp.49-50�2009�
38. �������������������������
������������������
�����������������
�No.15�pp.51-52�2009�
39. ��������������
�����������������������
�No.15�p.53�2009������������������
40. ���������������
�����������������������������
������������������No.16�2010�
41. �������������������
������������������
������������������No.16�2010�
42. ����������
BGA ���������X ������������
������������������No.16�2010�
43. ���������������������������������������
������������������������
� 17 ����������������������������������
�Vol.17 2011�
44.�������������������
������������������
� 17 ����������������������������������
�Vol.17 2011������������
��������

－8－

1. �����
����������
�������(2008. 10.27)
2. �������������
���������� �������������
�����������77-84� (2009.7.13)
3. �������������
������������������ (2009.10.7 ��)
4. ������������,������������������������
��������� A ��75 ��758 ��1-9
5. �����
����������������������������������������������
����������������� 3 (2008.11 ����)6. ����������������
� BGA �������������
�����������������No.14�34-35 (2008)��������
��������
1. ��������
������������������������������������
�� 20 ����������������� (2009.8)� �
2. �������������EV�HEV �������
�� 20 ����������������� (2009.8)�
3. S.Inasaka, A. Kawamura and Y. Tsuruta�
Discussion on High Efficient DC Power Management for Electric Vehicle
International Technical Meeting on Semiconductor Power Converter, SPC-08-126, pp.67, �� (2008.9)
4. A. Kawamura, Y.Tsuruta and M. Pavlovsky�
State-of-the-Art High Power Density and High Efficiency DC-DC Chopper Circuits for HEV and FCEV
Applications,13th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC2008),�����
(2008.9)
5. Y.Tsuruta and A. Kawamura�
Back to Back System for the Development and Testing of High Power DC-DC Converter－9－Conference IEEE Industrical Electronics and Control (IECON), ���� (2008.11)�
6. �����M.Pavlovsky������
SAZZ �������������������
�� 21 ������������� (2009.3)�
7. Pavlovsky�����������
� Efficiency Improvements in SAZZ Topology by Using Synchronous Rectification
�� 21 ������������� (2009.3)
8. ��������������
�������������������������������
������������ (2009.9.2)
9. �����M.Pavlovsky������
����� SAZZ ���������������
������������ (2009.9.2)
10 .Y.Tsuruta, M. Pavlovsky, A. Kawamura�
Very High Efficiency SAZZ Chopper Using High Speed IGBT2009 IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC) (2009.5.19)�
11. Y. Tsuruta, M. Pavlovsky, A. Kawamura�
Improvement for Very High Efficiency Chopper Circuit SAZZ
13th European Conference on Power Electronics and Applications (2009.9.8)
12. M. Pavlovsky, A. Kawamura, Y.Tsuruta�
Bi-directional Buck-Boost Dc-Dc Converter with Ultra High Efficiency Based on Improvement SAZZ Topology
IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2009) (2009.9.23)
13. M. Pavlovsky, A. Kawamura, Y. Tsuruta�
Fully Bi-directional Dc-Dc Converter for EV Power Train with Power Density of 40kW/lIEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2009) (2009.9.23)
14. Y.Tsuruta, M. Pavlovsky and A. Kawamura�
Very High Efficiency SAZZ Chopper Using High Speed IGBT,2009 IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference �IPEMC2009��(2009.5)
15. �����M.Pavlosky������� ����� SAZZ ���������������� �� 21 �������������� (2009.8)
16. ��������������
�������������������������������

－ 10 －

�� 21 ������������������������ (2009.8)
17. ��������������Guiseppe Guidi������������������������������������
��������� (2010.3.9)
18. M.Paviovsky, Y.Tsuruta, A.Kawamura�
Recent Improvements of Efficiency and Power Density of DC-DC Converters for Automotive Applications
International Power Electronics Conference(IPEC-Sapporo2010) (2010.6.23)
19. S.Tsutsuki, Y.Watanabe, G.Guidi, A.Kawamura�
Total Efficiency Improvement of EV Power Train by Series Chopper
2010Korea-Japan Joint Technical Workshop on Semiconductor Power Converter������������ ��������������2010.10�
20. �����M.Pavlovsky������
� SAZZ �������������������� �� 21 ��������� (2009)21. ��������������G.���������������
��������������������������������,�� 23 �����������VT-11-009,pp.45-50�(2011.1)
22. ��������������G.���������������
KAST-EV ������������������������������
� 25 ��������������(2011.3)
23. ����������
��������������
�� 23 ��������������������(2011.3 ����)24. ����������������������������������
30kW ��� 4 ������������
�� 23 ����������(2011.3 ����)25. Y. Tsuruta, M. Pavlovsky and A. Kawamura:
Four Quadrant SAZZ-1 Chopper for EV and HEV Power Train,
Proceedings of ICPE2011, (2011.5 ����)26. Y. Tsuruta, G. Guidi and A. Kawamura:
SAZZ Chopper for EV and FCEV Applications,
EVTeC’11, (2011.5 ����)��������

－ 11 －

27. X.Cheng, A.Takahashi, T.Oyama�
Development and Improvement of Chemically Amplified Reacting Development Patterning,
Polycondensation, 138, 2008, (2008. 9)
28. ���������������
����������������������,� 7 ������� (2008-9)
57th SPSJ Symposium on Macromolecules, Polymer Preprints,Japan,57[6]�(2008.9)
29. ���������������
�����������������������,� 7 �������(2008-9)
57th SPSJ Symposium on Macromolecules, Polymer Preprints,Japan,57[6]�(2008.9)
30. ���������������
�������������� in situ ���������������,� 7 �������(2008-9)
57th SPSJ Symposium on Macromolecules, Polymer Preprints,Japan,57[6]�(2008.9)
31. ���������������
in situ ����� N-���������-������������������������
� 58 ���������������,165� �2008. 10�
32. ������������������
�������������������������������
������ 2008 ������� Vol.6� 223-224�2008�
33. ������������������
���������������������������������������
������ 2008 �������Vol.6� 225-226 (2008)34. ������������������
��������������������������������
������ 2008 �������Vol.6� 229-230 (2008)35. ������������������
��������������������������������
������������� 18 �������������������,251-254 (2008)36. ������������������
����������������������������� IVH(interstitial Via Hole)������
������������� 18 �������������������, 263-266� (2008)37. �����������������

－ 12 －

������������������������������
������������� 18 �������������������� 307-310� (2008)38. �����������������������
����������������������������������������������
������������� 18 �������������������� 295-298� (2008)39. ������������������
���������������������������������������
������� 21 ��������� 363-364� (2008)40. ������������������
�������������,� 23 �����������������,177-178� (2008)41. ���������������������������������������
���������� WL-CSP ������
� 22 ��������������������������(2008)42. �������������
���������������������������������
MES2009 (2009)43. ��������
��������������������������������
������� 22 �������� (2009)44. ��������
��������������������������������
CDAJ� CAE� Solution Conference� ��������2010�
45. ��������������
���������������������������������
� 23 �������� 449-450����(2010.9.23-25)

46. ��������
����������������������������������������
� 23 ��������� 455-456� ���� (2010.9.23-25)
47. �������������
����������������������������
� 23 �������� 459-461����� (2010.9.23-25)
48. �����

－ 13 －� �����������������
�� 20 ����������������� (2008.10)
49. �����
� BGA ���� X ��������� �� 20 ����������������� ����������� (2008.10)
50. ����������
BGA ��������������
��������������������� 1 ��������������(2009.6.8)
51. ���������������
������������������� �
� 23 �������������������� 11B-02,25�(2009.3)
52. K. Shinohara, Q. Yu, T.Anzawa, H.Ishii�
High-Accuracy Fatigue Evaluation of Power Devices by Multicoupled Analysis
Proc. interpack09, 89043, (2009.7.1).
53. Hiromi Sugihara, Masanori Yamagiwa, Masato Fujita, Toshikazu Oshidari, Qiang Yu,�Thermal Fatigue reliability of High-Temperature-Resistant Joint for Power Devices,
Proc. of the ASME 2009 InterPACK, (2009.7)
54. �����
�����������������
���������������������(2009.7.23)
55. Kazunori Shinohara, Qiang Yu,�Fatigue Evaluation of Power Devices,
Proc. ICEPT-HDP 2009, GP-26 (2009. 8)
56. ���������������
�������������������
� 58 ��������2009.9.16�
57. Yu.Q Shibutani T. Tanaka A. Koyama T. and Shiratori M�
Low - cycle fatigue reliability evaluation for lead - free solders in vehicle electronics devices
Proc. of the ASME 2008 InterPack Conference
58. Kondo.S.�Yu.Q.�Shibutani.T. and Shiratori .M.�Evaluation Method of Interaction Relation between Design Factors Andsimple Assessment Approach for BGA
Package Reliability,
Proc. of the ASME 2008 InterPack Conference－ 14 －

59. Yu.Q.�Fujita.M.�Shibata.T.�Katahira.T. and Shiratori.M.�
A Study on Repetitive Drop test Method and for Electronic Component, �Proc. of the ASME 2008 InterPack Conference
60. Tosaka.A.�Yu.Q.�Shibutani.T.�Kondo.S. and Shiratori.M�
Reliability Evaluation of Lead Free Solder Joints Subjected to Multi - Loads,
Proc. of the ASME 2008 InterPack Conference
61. Kondo.S.�Yu.Q.�Shibutani.T. and Shiratori.M.�
New Reliability Assessment Method for Solder Joints in BGA Package by Considering the Interaction between
Design Factors,
Proc. of the International Workshop on THERMal Investigation of Ics and Systems
62. Miyauchi.H.�Yu.Q.� Shibutani.T. and Shiratori.M�
Evaluation Technique for The Failure Life Scatter of Lead-Free Solder Joints in Electronic Device,:
Proc. of the International Workshop on THERMal Investigation of Ics and Systems
63. Yu�Q.�Shibutani�T.�Shiratori�M.�Matsuzaki�T. and Matsumoto�T�
Delamination Evaluation Approach for Bimaterial Structure Considering Interfacial Layer,
Proc. of the 2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition
64. Miyauchi.H.�Yu.Q.�Shibutani.T. and Shiratori.M�
A Study on Evaluation Technique for the Fatigue Life Scatter of Lead-Free Solder Joints,
Proc. of the 2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition
65. T.Anzawa, Q.Yu, T.Shibutani, M. Shiratori�
Reliability Evaluation for Power Electronics Device using Electrial Thermal and Mechanical Analysis,
Proc. Of 9th Electronics Packaging Technology Conference (2008)
66. K..Shinohara, Q.Yu, M. Fujita and H. Ishii H. Ishikawa�Ball Impact Response Based on Modeling Techniques
Proc. EPTC2009, P0325, (2009.12.11)
67. K. Shinohara, Q. Yu, T.Anzawa and H. Ishii�
High-Accuracy Fatigue Evaluation of Power Devices by Multicoupled Analysis
Proc. interpack09, 89043, (2009.7.1)
68. K.Shinohara and H.Okuda�
Shape Optimization Using Adjoint Variable Method for Drag Reduction
15th International Conference on Finite Element Problems, (2009.4.1)
69. Y.Ohnishi, T.Oyama and A.Takahashi�
Low CTE epoxy resins containing polyaromatic backbone－ 15 －

13th International IUPAC Conference on polymers and Organic chemistry (PPC’09) (2009.7.6)
70. K. Shinohara and Q. Yu�
Fatigue Evaluation of Power Devices
Proc. ICEPT-HDP 2009, GP-26, (2009.8)
71.Vidyu Challa, and Michael Pecht, Shilin Liu and Qiang Yu�
A Verification of Application Specific Component Qualification
Proc. of ICEP2010, ��
72.H. AKAEDA, Q. Yu�
Characteristics and mechanism of surface roughness generated in substrate used for vehicle power device
Proc. of New Methods of Damage and failure Analysis of Structural Parts,129-136, �����
73.R. SONE, Q.YU�
Deformation of resin materials due to the curing in the thermal process
Proc. of New Methods of Damage and Failure Analysis of Structural Parts, 343-350, �����
74.H. SATO, Q. YU, R. SONE�
A Study of the Thermal Deformationed the Mechanical Properties due to Curing Process of the Encapsulation
Resin
Proc. of New Methods of Damage and Failure Analysis of Structural Parts, 51-58, �����
75.Takahiro AKUTSU, Qiang YU, Yuji NISHIMURA�
Effect of Micro Structure on Fatigue Characteristics of Lead Free Solder Joints
Proc. of EPTC2010, Singapore
76.Tomohiro TAKAHASHI, Qiang YU�
Precision Evaluation for Thermal Fatigue Life of Power Module using Coupled Electrical-Thermal-MechanicalAnalysis
Proc. of

EPTC2010,201-205

77. ���������������
�������������������
� 58 ��������2009.9.16�
78. ���������������
�������������������
� 59 ���������������(2009.10)
79. ���������������
�������������������
� 59 ���������������(2009.10)－ 16 －

80. ������������������

In situ ����� N-���������-����������������������������
� 59 ��������������� (2009.10)
81. ����������
���������������������������������������
� 14 ���������
�2009.5.13�
82. ����������������������������
��������������������� Au �����
�� 21 ������������������������������(2009.10.21)
83. �������������������������
������������
�� 21 ������������������������������(2009.10.21)
84. ����������������������������
������������������
�� 21 ����������������������������������, 2009.
85. Toshiaki MARUOKA, Qiang YU, Tadahiro SHIBUTANI�Dispersion and Evaluation of Thermal Fatigue Reliability of Solder Joint by Using Normal Random Umbers,
Proc. of PHM2010 Macau
86. Masahiro KOBAYASHI, Qiang YU�
Reliability Evaluation for Specify Factor of Fatigue on Power Device,
Proc. of PHM2010 Macau
87. Kanji Takagi, Qiang Yu, Tadahiro Shibutani, Hiroki Miyauchi�Reflow Process Simulation for Dispersion Evaluation of Solder Joint Shape on Chip Component,
Proc. of the ASME 2009 InterPACK Conference
88. Masanori Yamagiwa, Masato Fujita, Qiang Yu, Hiromi Sugihara�
Reliability Study of High-Temperature-Resistant Mouting Structure Considering Share Behavior of Joint Layer,
Proc. of the ASME 2009 InterPACK Conference
89. Hiromi Sugihara, Masanori Yamagiwa, Masato Fujita, Toshikazu Oshidari, Qiang Yu�
Thermal Fatigue Reliability of High-Temperature-Resistant Joint for Power Device,
Proc. of the ASME 2009 InterPACK Conference
90. Ryusuke Sone, Qiang Yu, Tadahiro Shibutani�
Deformation of Resin Material due to Curing in the Thermal Process,Proc. of the ASME 2009 InterPACK Conference－ 17 －

91. Yuji NISHIMURA Qiang YU, Toshiaki MARUOKA:
Reliability Evaluation of Fatigue life for Solder Joints in Chip Components Considring Shape Dispersion,
Proc. of EPTC2009
92. Hiroyuki Sato, Qiang Yu:
A study on the Thermal Dformaion and the Mechanical Properties Due to Curing Process of the Encapsulation
Resin,
Proc. of EPTC2009
93. K. Shinohara and Q. Yu:
Reliability Evaluation of Power Semiconductor Devices Using Coupled Analysis Simulation,
Proceedings of ITherm, (2010), Paper No.2507. (2010)94.�������������������
��������������������������
����������������������������2010. 10.13�
95.�����
���������������
����������������������������2010. 10.13�
96.�����������������������
������ Au ���������������
����������������������������2010. 10.13�
97.���������������������������
������ Au ����������������
����������������������������2010. 10.13�
98.������������������
�����������
����������������������������2010. 10.13�
99.�����������������������������������������
������������������������
� 17 ������������������������������ (2011. 2.3)
100.�������������������
������������������
� 17 ������������������������������ (2011. 2.3)

�������
��������

－ 18 －

1. � 19 ���������MEMS ���������� 2008 � 7 � 30 ��8 � 1 �
2. ����������� 2010 ��������������������2010 � 11 � 15 �����������������������������������, ��������
3. ����������������� 1 ��������
���������������������

�������������� 2008 � 6 � 13 �

4. ����������������� 2 ��������
������������������� SiC �����

��������������� 2008 � 12 � 22 �

5. ����������������� 3 ��������
������������������� ICSCRM2009 ������������������ 2009 � 12 � 24 �,2010 � 3 � 5 �(�)6. ����������������� 4 ��������
����������������������

��������������� 2011 � 2 � 2 ������������ 22 � 10 � 14 �� � ������� 2010-233312 �
����Martin Pavlovsky� ����� ����������������������
������ 22 � 11 � 11 �� � ������� 2010-254895 ���������� ����� ��������������������������
���� ������ 3 ������������
����� �������� ���� 21 ����������������(����)��
�－ 19 －

－ 20 －

������������������� � ��� ���������������
������������ 20 ��������������������������
���������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������������������������������
������������ SAZZ-1 ��������������� EV ���������������� 98[%]������������ 30[kW]SAZZ-1
���������������������������������������� 25[kHz]���������
���������������������������������������� SiC �����������
����������� SiC �������������������������������������� 98[%]�������������
������� DC-DC �����������
� SAZZ-1 �����������������������������SAZZ �����������������
�������������������� 40kw/� ��� 99%���������������
������ 2 ����� 21 ������������������������
(1)�����������������������������������
1-1� ���������������������������������������������������
��������������������������������������
1-2 ���������������������������������
�:��� 4kw/� � SAZZ-1 ���� 2 ���������
�:2 �������������������������
�:�����������������
�:������������
�:���������������
(2)���������������� �����������������������������������������������������
�������� 3 ����� 22 ������������������������
(1)���������
1-1����������������������������������������������������
���
1-2�����������������������������������������
1-3����������������
(2)���������������������
2-1����������������������������������
��������������������������������������1015 ���� JC08 ������
������
2-2�������������������
�9 ��11 ��1 ��(3)���������
3-1�PAM ������������������������ 1 ������������������������
��������������������������������������������������
3-2���������������������������������������
(4)���������
4-1�����������������������

－ 21 －� � � ���� �������
���� �� ��������
������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������� ��������������������������
����������������������� ������������������������ �����������������������
��(������) ������������������
����������
�����
���
���������������������������
���������������������������
��������
���������������������������
���������������������������
����������������
����������������������������
���������������������������
����������������������
�������������������������
����������������������
���������������������������
����������
�������
�����������������������������������
���������������������������
����
�����
���������������������������
������������
����������������������� ��������������������������
������������������������������������������������������
������������������������ ������������������������������������������� ����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������
�������������� SAZZ-1 �������������������� EV ���������������� 98[%]������������
30[kW]SAZZ-1 ���������������������� SAZZ-1 �������������
������������������������������������� IGBT ������� 25[kHz]��
������������������������ SL1�SL2�SL3�SL4 �������������������
���������������� SiC ���������������������������� 30[kW]����
������������������������ SiC ���������������������������
������������������������������� 98[%]���������������

������ ��� ���� ����

��
�

�
��
��
�
�
�� ��
��
�
�

�
�
�
�

��

�
�
�
�
�

���

C4

�
�
�
�
�
�
�
�
�

���������

C2
S4a

S4

S2a

S2

DRB2

��
������ C0
�����
����

SL2

SL4

DRB4

D4
L3

Cin

L2

Cout

DRB3

D3

S3

��

D2

L1
D1

����
�����
���

S1

DRB1
C3

S3a SL3

SL1

S1a

C1

� 3 ������(�����������)� � � � � � � � � � � � � � �������� ������ ���������

－ 22 －

� 1. SAZZ-1 �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 5 30[kW]�������(�����)����(�����)��������

DC300V240�320�
20�420���(INV �)

DC400V������

8kW ��

��������
��98%��

������� �

30kW(20sec)

��������

��������� DC-DC �����������
��������������������������������������������� DC�DC ������������������������������������ SAZZ �����������������
�����������������������������������������������DC�DC ��������������������������������������������������������
�������������������������������������������������� 99��������������������������� 40kw/� ��������� 2 ���������������
������������������(��)���� �� ��������
(1)����������������
�����������������������������������������������������
����������������������� � � � � �� � � ��� ���������������
��������������������������������������������������� 10-15
��������������������������10��������������������������
����������������������������������������PAM �����������
������������ ���SAZZ-1 ����� 2 ����������������������������������������
��������������������������-40%���-20%��������������������
-10%�(a)��������(b)������������������������������������������ ���1 ���31L�2 ���14L����1 ���30kg�2 ���24kg������1 ���0.97kW/l �2 ���
2.2kW/l ������� ������������������������������������������2 ����������
������������������������������������������������������
���������������������������������� ������������

－ 23 －

(2)������ DC-DC �����������
����������������������������� 40kw/� ��������� 99���������
������ EV ����������������������
���� �� ��������
���� KAST-EV �������������������KAST-EV ��������������������������������
������������������������������������������������������
��������������������������������������������������KAST-EV��������������� 2 �������������������������������������
�����������������������������������
���1 ���������������������������������� �������� KAST-EV�������������
������������������������������� PWM ������ 1015 ������ JC08 �������������������������������������������������������
�������
������������������
����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������

� 9. ��������������
� 9 ��������� 250V ���������������������������������������
���������������������� 250V ������������������������������

－ 24 －

��.�������

��������������
������ 250V ����������1015 ���� 5.3%�JC08 ���� 7.3%������ 1 ���������
�������������������� SAZZ � 2 ����� 1 ������������ 1015 ���� 8.0%�JC08���� 10.8%� 1 ���������������
���SAZZ-1 �������������� ������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������������������������������

���� SAZZ-1 �����������JC08 ������
��������������������������

���� ��������
��������������������������������������������������
5.5kWh �������������� 1 ����� 100km�����������������km/kWh�� 18km/kWh������� �������������������������������������� SAZZ-1 ������� 98�������� 30kW � 4 �� SAZZ-1 ����������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������� ��������������SAZZ ��������� 4 �����������������15kw ����� 99������ 40kw/� ���������������������
� KAST-EV ��������������������������������� 2 ��������������
�����������������(����� 1 ���)���������������������������
�����������������JC08 �����������������������������”��“�����������������������km/(kWh/ton)�����14.5 �������������������
����������������������������������������
��������������������JC08 ������������������������� 1 ����������������������������������������������������������

－ 25 －

������������������������������������������������������
�������������������������

������������
�����������������������������������������������������
��������
�����������������������������������������

������������ PAM ����������������

��������������������������������� 1 ����������������
�����������

�

KAST-EV �������������

������������

���������������������������������������������������������
���������� 1 ������������������� 1 ��������1 ��������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������������� ���������� 40kW/� ���������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������

�－ 26 －

Design of High Efficiency and High Power Density DC-DC
Converter
Ing. M. Pavlovsky PhD.

1. Introduction
Many power electronic applications require power
converters with high efficiencies and high power
densities. The main goal of the APEP is to investigate
the feasibility of improving the efficiency of an electricvehicle drive train as a system while the impact on thesize and weight of the vehicle should be kept low in thesame time. This report concerns the work regarding thedesign of the DC-DC converter which is placed
between the batter and the motor drive as shown in
Figure 1.
DC
Bat.

Bidirectional
DC-DC
Converter

InverterTraction
Motor

Figure 1. Block diagram of a vehicle drive system

Considerable efforts are being made by the scientificcommunity to reach the efficiency and power density
goals and there have been substantial improvements
reported in recent years, for example in [1] and [2]. The
design presented in [1] reaches power density in excess
of 27 kW/l and its efficiency peaks at approximately
98 %. On the other hand, the design presented in [2]reaches efficiencies higher than 99 % but the power
density is rather low due to a low operating frequency.
The presented results are remarkable; however,reaching ultra high efficiencies, in 99 % region, andvery high power densities in the same time presents amajor challenge. In APEP, we work on improving theefficiency as well as the power density of the DC-DC
converter in the same time. The design is based on an
improved SAZZ topology which showed a potential ofreaching high efficiencies. In the same time, great careis given to a careful spatial converter design in order toreaching high power densities. This report considers
preliminary results of the converter design as well as of
the initial experiments. As shown, the presented
approach is capable of reaching efficiencies in the 99 %region and in the same time the converter power density
is over 40 kW/litre.
2. Improved SAZZ Topology
SAZZ (Snubber Assisted Zero Voltage and Zero
Current Transition) topology was proposed in [3] in its
one directional version with the goal of reducing
switching losses in dc chopper circuits and hence
allowing for a high frequency operation. The loss
reduction is obtained by combining a conventional dc
chopper topology with a snubber placed across the main
switch and an auxiliary circuit discharging the snubber

prior to the next switching cycle. Details on the Original
SAZZ topology can be found in many previous
publications for example in [3] and [5].
Bi-directional buck/boost SAZZ topology was
proposed in [4] in order to enable the fully bidirectional buck/boost operation with the soft switchingproperties of the SAZZ topology. It operates on thesame operating principles as the basic SAZZ circuit
where the mode of operation is preselected by a pair ofsemiconductor switches.
As shown in published papers, SAZZ topology
improved the DC-DC converter performance withrespect to the hard switching counterparts. The
converter prototypes reached efficiencies of 97 % in 8
kW, 100 kHz uni-directional boost SAZZ converter
based on IGBTs [3], 95.4 % in 8 kW, 200 kHz forward
boost/reverse buck bi-directional SAZZ converter basedon MOSFETs [5] and 96.5 % in 25 kW, 50 kHz fully
bi-directional SAZZ converter based on IGBTs [4].
However, the investigation also revealed the mainfunctional limitations of SAZZ topology being thereverse recovery of the rectifying diodes and the output
capacitance of the auxiliary switch. For this reason thepossibility of further improvements of SAZZ topology
were investigated in the course of APEP.
The new improved SAZZ topology was proposedin order to mitigate the above mentioned issues andhence improve the performance and the efficiency
further. The improved topology addresses the main
issues by following countermeasures:
� Modified snubber configurations – extending soft
switching area to wider voltage range
� Saturable inductors in snubber circuit –suppression of MOSFET output capacitanceeffects
� Synchronous rectification – reduction of reverse
recovery and conduction losses in diodes
The circuit diagram of the improved bi-directional
buck/boost SAZZ topology is shown in Figure 2.
3. Converter Design Concept
Converter designs with ultra high efficiency andpower density in the same time require considerable
attention to design details in order not to waste a single
watt of energy or cm3 of space. This is due to the factthat such designs approach the boundary of what is
possible using the available technology and every
wasted watt or cm3 contribute substantially to the final
efficiency and power density figures.

－ 27 －

S m2L

Sm2H

Ci1
L2HR
L2LF

Sa2L

D4L D2L

L2HF
L2LR

S a1L

D3L D1L
C1L

Sa2H

D4H

D2H

L1L

50 %ViCi3

inductor of one module filling the gap in the othermodule. The complete structure with four modules
designed for 60 kW output power has a brick likeshape with only power terminals and liquid cooling
fittings protruding outside the external contour asshown in Figure 3b. The external dimensions are as
small as 175 mm x 105 mm x 80 mm which yields theoverall power density higher than 40 kW/litre.
Practical realisation of the single module converter
prototype is shown in Figure 4. In the shown figure,the main and auxiliary inductors are not included.

C 2H

C2L
50 %Vi

Co
Sa1H

D3H

RL

D 1H
Sm1H

S m1L
C 1H

Figure 2: Circuit diagram of improved bi-directional buck/boost
topology

Gate drive PCB

Main inductor

The design used in APEP is based on the designconcept published in [5] which reached the efficiencyof 95.4 % and power density over 25 kW/litre
operating at 200 kHz [5]. In order to improve on theseresults, the presented design concept was criticallyevaluated and updated with respect to the new design
specifications. One of the new design requirements isthat the converter must allow full bi-directional
buck/boost operation and therefore a bi-directional
SAZZ topology as introduced above must be used. In
the same time, the new design requires rather wide
operating voltage ranges in order to effectively control
the power flow at acceleration and deceleration of anelectric vehicle where it would be applied. The
operating voltage ranges are 300 V – 420 V at the input
and 50 V – 420 V at the output. The required power
output increases linearly with the output voltage due toa constant torque operation of the traction motors.
Another important design aspect is the frequency
reduction from 200 kHz to 50 kHz in order to reduce
the switching losses. This together with a lower RDSonof paralleled CoolMOS devices should yield asubstantial improvement of the efficiency and hence
the efficiency approaching 99 %. In order tocompensate for the reduced frequency, the magnetic
material of the main inductor core was changed fromferrite to an amorphous metal. The higher saturation
flux density allows for higher fluxes in the core andhence the inductor size is not impacted much by the
reduced frequency. Other aspects implemented in thedesign concept are redesign of various converter submodules and of the converter layout. The main
criterion for these redesigns was a good match between
the various component parts and rejection of the airfrom the converter structure.

Semiconductors

Interconnects
Saturable inductorsa)OutputGate drive
power supply PCB
Inputb)
Figure 3: 3D model of converter prototype; a) single phase exploded
view, b) complete converter structure

A 3D exploded view of the single phase module isshown in Figure 3a. The structural layout takes into
account the current flow thought the structure in order
to simplify the module interconnects. Minimising
empty spaces inside of the structure as well as goodheat removal from components were other designpriorities. The single phase module is mostly
symmetrical with respect to input and output.
Therefore, two modules can fit together with the－ 28 －

Figure 4: Single module converter prototype

4. Experimental Results
4.1. Single Converter Module

Reverse Direction = Energy Recovery

450

Vo [V] Inverter

Two single module converter prototypes as shown in
Figure 5 were constructed and tested in the laboratory.
These modules were experimentally tested in various
operating modes in order to verify the prototype
functionality as well as performance. The primaryconcerns during the experiments were the required
maximal power performance at selected input to output
conversion ratios and the related efficiency curves. The
operating range with respect to input/output voltage
conversion ratio in forward as well reverse direction isdepicted in Figure 6 and Figure 7 respectively. The
figures also list efficiencies measured at the maximal
power required for the specific tested operating point
for the single converter module. An Example ofoperating waveforms of some of the components are
depicted in Figure 8 and Figure 9 for the forward boost
300 V – 420 V operating mode for the converter
operating at 15 kW output power. As can be seen, allmain waveforms are clean without excessive noise oroscillations. Some noise is visible on the gate signals
but it is within the reasonable limits and the converter
operating functions remain without disturbance. A partof the noise measured on of the gate signals can be due
to poor voltage probe performance as observed duringsome experiments.

98.3% (12kW)

400

Buck

350

98.6% (12kW)

300
250

98.5% (9kW)

200

Boost

97% (8kW)

150
100
50

93% (2kW)

91.5% (2kW)

0
0

100

200

300

Vi [V] Battery

400

500

Figure 7: Converter operating region in reverse direction withmeasured efficiencies at maximal power output for single module
operating with 70 �C coolant

Figure 8: Waveforms measured on single module converter
prototype in forward boost mode 300 V – 420 V operating at 15 kW
output power; Ch1 – Aux. switch Sa1H voltage 100 V/div, Ch2 –Main switch Sm1H voltage 100 V/div, Ch3 – Aux. switch Sa1H gate
voltage 10 V/div, Ch4 – Aux. switch Sa1H current 20 A/div

Figure 5: Prototype of single converter module
Forward Direction = Powering

450

98.4% (15kW)

Vo [V] Inverter

400
350

98.6% (12kW)

Boost

98.8% (12kW)

300
250

99% (9kW)

200

98% (7kW)

150

97% (5.5kW)

97.7% (10kW)

Buck

96.3% (5.5kW)

100
50
0
0

100

200
300
Vi [V] Battery

400

500

Figure 6: Converter operating region in forward direction withmeasured efficiencies at maximal power output for single module
operating with 70 �C coolant

Figure 9: Waveforms measured on single module converter
prototype in forward boost mode 300 V – 420 V operating at 15 kW
output power; Ch1 – Main switch Sm1H gate voltage 10 V/div, Ch2 –Synchronous rectifier Sm2H 1/3 current 10 A/div, Ch3 – Synchronousrectifier Sm2H gate voltage 10 V/div, Ch4 – Main inductor L1 current
10 A/div

The complete efficiency curves are shown in Figure
10 to Figure 15 for all directions of operation andvarious voltage conversion ratios. As can be seen theefficiencies are very high and 99 % efficiency can bereached in all directions of operation all the way up to
the full output power. The efficiency is reduced with theconversion ratio increasing. However, it remains above
97 % for conversion ration less than 1:2 and above
96 % for the ratios less than 1:3. The efficiency drops－ 29 －

Forward Boost - Empty Battery (1 module)

100

99
98
97

Eff [%]

95
94

20C 420V-350V
20C 420V-200V
70C 420V-350V
70C 420V-200V
20C 420V-50V
70C 420V-50V

92
91

97
96

90
0

95
94
93

4

6

8
Po [kW]

10

12

14

Figure 10: Efficiency curves for single converter module operating inforward boost mode; empty battery; cold/hot coolant
Forward Buck - Full Battery

100

6

Po [kW]

8

10

12

14

99

16

98
97
Eff [%]

2

4

Reverse Boost - Empty Battery (1 module)

100

90
0

2

Figure 14: Efficiency curves for single converter module operating inreverse boost mode; full battery; cold/hot coolant

20C 300V-420V
20C 300V-350V
70C 300V-420V

92
91

96
95
94

20C 300V-250V
70C 300V-250V
20C 300V-50V
70C 300V-50V

93

99

92

98

91

97
Eff [%]

96

93

99
98

90

96

0

95
94
92
91
90
0

2

4

6

Po [kW]

8

10

12

4

Po [kW]

6

8

10

5. Two Parallel Converter Modules
14

Figure 11: Efficiency curves for single converter module operating inforward buck mode; full battery; cold/hot coolant
Forward Buck - Empty Battery

100

2

Figure 15: Efficiency curves for single converter module operating inreverse boost mode; empty battery; cold/hot coolant

420V-350V
420V-250V
420V-150V
70C 420V-350V
70C 420V-250V
70C 420V-150V

93

99
98
97
Eff [%]

Reverse Boost - Full Battery (1 module)

100

Eff [%]

further below 96 % for very large conversion ratios into
the 94 % region and 92 % region for the ratios 1:6 and1:8 respectively. This efficiency reduction is due topoor utilisation of semiconductor switches and highcurrent levels at the low output power.

Single converter modules were designed so that they
fit seamlessly into a cube like converter structure. Thisis illustrated in Figure 16 for two single modules. As
shown, there is little empty space left inside thestructure. The whole 30 kW converter in this casewould be only 40 mm thick which results in the power
density of 40 kW/litre.

96
95
20C 300V-250V
20C 300V-200V
20C 300V-150V
70C 300V-250V
70C 300V-200V
70C 300V-150V

94
93
92
91
90
0

2

4

6

Po [kW]

8

10

Figure 12: Efficiency curves for single converter module operating inforward buck mode; empty battery; cold/hot coolant
Reverse Buck - Empty Battery (1 module)

100
99
98

Eff [%]

97
96
95

Figure 16: Integration of two converter modules into single converter
structure

94
93
92

20C 300V-420V
70C 300V-420V

91
90
0

2

4

6

Po [kW]

8

10

12

14

Figure 13: Efficiency curves for single converter module operating inreverse buck mode; empty battery; cold/hot coolant

The two single converter modules were tested
individually as well as together in parallel operation.
The performance in parallel operation is demonstrated
by the efficiency curves depicted in Figure 17 for theforward boost operating mode. As can be seen themeasured efficiencies are even slightly higher than forthe single module which is due to the loss reduction in
the input and output filters. The efficiency was also inthis case in the 99 % region all the way up to the－ 30 －

maximal tested power of 25 kW. The test up to the fullpower of 30 kW was not possible due to some slightdifferences between the two converter modules which
resulted in a power imbalance. This could be solved bymodifying the control signals for the individual
modules which was not possible at the time of theexperiment. The measured waveforms on bothconverter modules are shown in Figure 18. The power
imbalance is clearly visible on the difference between
the main inductor currents of the two power modules.
Forward Boost - Empty Battery (2 modules)

100
99
98

Eff [%]

97
96
95
94
93

20C 300V-420V
70C 300V-420V
20C 300V-350V
70C 300V-350V

92
91
90
0

5

10

15

20

25

30

Po [kW]

Figure 17: Efficiency curves for two modules operating in parallel;
forward boost mode; empty battery; cold/hot coolanta)b)Figure 18: Waveforms measured on two parallel converter modules;a) converter 1, b) converter 2; forward boost mode 300 V – 420 V
operating at 25 kW output power; Ch1 – Synchronous rectifier Sm2H
gate voltage 10 V/div, Ch2 – Synchronous rectifier Sm2H 1/3 current
10 A/div, Ch3 – Main inductor L1 current 10 A/div, Ch4 – Main
switch Sm1H voltage 100 V/div

6. Conclusions
As discussed in this report, the main goal of APEP
is to investigate the possibility of designing automotive
DC-DC converters with high efficiency and highpower density and this was pursued throughout thewhole design process briefly presented here.
As shown, efficiencies in the 99 % range areachievable in a broad load range for various operating
modes and input to output voltage ratios. This is very
beneficial for automotive applications where a dc-dc
converter is used to improve the power flow from abattery to an inverter. In the same time, the power
density of designed prototypes is as high as 40 kW/litre.
The high power density translates into a very low spacerequirement for placing the dc-dc converter in thevehicle.
The construction and testing of the converter
prototypes revealed also several issues of the present
converter structure. The issues are for example: small
tolerances on some component dimensions, insufficientpressure from the MOSFET pressure plate, difficulty toseal the heatsinks and liquid distribution pieces and too
much flexibility in Teflon plastic pressure plates. Thisand other issues should be resolved in the design of thenext converter prototype. Simplifying the converter
structure from the assembly complexity point of viewshould be also considered during the design revision.
7. References[1]
S. Waffler, J. W. Kolar, “A novel low-loss
modulation strategy for high-power bidirectional
buck+boost
converters”,
Proceedings of International Conference onPower Electronics, ICPE 2007, Oct. 2007, pp.:889-894[2]
Y. Wensong; L. Jih-Sheng, “Ultra highefficiency bidirectional dc-dc converter withmulti-frequency pulse width modulation”,
Proceedings of Applied Power Electronics
Conference 2008, APEC 2008, Feb. 2008, pp.:1079-1084[3]
Y. Tsuruta, Y. Ito and A. Kawamura, “A HighFrequency, High Efficiency and High Power
Chopper SAZZ and the Test Evaluation at
100kHz-8kW”, Proceeding s of PowerElectronics Specialists Conference, PESC'06,
Jun 2006[4]
Y. Tsuruta, Y. Ito, M. Bando and A. Kawamura,“Proposal of Bilateral Buck and Boost Chopper
Circuit SAZZ-1 for EV Drive Application andthe Test Evaluation at 25kW”, Proceedings ofInternational Confe1rence on Industrial
Technology, ICIT-2006, pp.1504-1509, Dec.
2006
[5]
M. Pavlovsky, Y. Tsuruta, A. Kawamura,“Pursuing high power-density and highefficiency in DC-DC converters for automotive－ 31 －

[6][7]application”, Proceedings of Power Electronics
Specialists Conference, PESC 2008, Jun 2008,
pp.: 4142 – 4148
M. Pavlovsky, Y. Tsuruta, A. Kawamura, “Bidirectional Buck-Boost Dc-Dc Converter with
Ultra High Efficiency Based on Improvement
SAZZ Topology”, IEEE Energy Conversion
Congress and Exposition (ECCE2009)
M. Pavlovsky, Y. Tsuruta, A. Kawamura,“Fully Bi-directional Dc-Dc Converter for EV
Power Train with Power Density of 40kW/l”,
EEE Energy Conversion Congress andExposition (ECCE2009)－ 32 －

������������������ ���� ������������ ��

L2

D3

E1

C1

L1

S2

����������������

�������������������������
�������������������������
������������
������������
������������
����� EV ���������������
������������ ������ ���� �����
��������� 4 �� � � � � �� � � � � �� (Snubber Assisted Zero
Voltage and Zero Current Transition chopper���
SAZZ-1 ���)������������������
(50kHZ�25kW ������ 96%�97%)(1)�
��������������� 20 ��������
���������������� 98%�������
�����SAZZ ��������(��)�������
��������
����� 98.96%
��������
���(2)�����
������ 2 ������ 30kW �����������������������
���������� SAZZ-1 �� 1 ���������
����������� 3 ��������������
�������� 98%���������������
��������(3)(4)�
�� 21 ���������������������
��������������������������
C2

��

��

��

��

��
��

������
����������������

�

�

�

�

�

�

�

��

��

��

��

��� ��� ��� ��� ��� ��� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ������� ��� ��� ��� ��� ��� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ������������� ������������� ������ � �����������

��� 30kW ��� 4 ���������(2 ��)������� ������ EV ������
��������� SAZZ-1 ����(2 ��)����
����������������� 4 ��������
���������� 5 ��������� 6 ����
��

����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

��
��

��� � �������

������

��

��� �

�����

�����

��
��������� � ��������

��� �

�����

����

�����
��������������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

� ��������������� ����������

������ 30kW ���������� SAZZ-1 �������������
�� 22 �������� 30kW ����������
SAZZ-1(���)������������������
��������������������������
��������������

������ ������ ���� ���������� ���������
CTT1
R1

S4

F1

C4

D4
Vin

S3

D3

S2a

L1
S3a

S1a

C2

S2

D2
Cout
D1

S1

DRB1
SL3

SL1

F2
R2

S4a
L2

L3

DRB3
C3

SL2 DRB2

�
�
�
�
�
�

C1

Vout
CTT2

�
�
�
�
�
�
�
�
��

�

－ 33 －Cin

DRB4 SL4

�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

���������������������������
�������������������������
��������������������� � ��������� ������ ����������������
�������������������������
��������

��

��

�

RL

��� �����

��

��

�

S1

C3

���

��

�

D5

D1

��

���������������� ����

�������������������������

���� 30kW ��� 4 ��������� SAZZ-1(1)���������
�����(���)30�W(400V�20sec)��
���(��)8kW(420V���)����������
25kHz
���
������� 98%��
����� EV �������
�������������0�30kW �������
�������������
�����
300W×300D×150H ���������
23kg ��
�����-30�+75���������������
��������
(2)������
� 1 ������� 7 �������������� 1����������
������������ ��-40%���-20%���������������� ��-10%(a)��������(b)��������
����������
�������
���1 ���31L����1 ���30kg
������1 ���0.97kW/l ���� ��������
�� Input voltage�� Output voltage
� Output power
Switching�frequency
� Circuit method� Efficiency
Control�Size�
WeightCooling
�
Use
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

2 ���14L
2 ���24kg
2 ���2.2kW/l�

25kHz
SAZZ
Over 98% over whole practical region
Pulse width control
Under 300W×300D×150H mm
Under 23 kg
Water-cool
Onboard use

300D�����������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
C4
S4a

S4

SL4

DRB2 SL2

��

D4

L3

��

L2

S2

D2

L1

DRB3
DRB1 SL

C3

SL3

C4
S4a

S4

SL4

DRB2 SL2��������

D1

D3
S3a

S3

VB

C2
S2a

DRB4

Cin

E1

S4
S4a

Vin=300V(190�370V)
Vout=400V(70�420V)
30kW-20sec�8kW continuous

300W���� ����������������
SAZZ-1(2 ��)����������������
1�������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
����������
2������������������������ SW��������������������������
��������������
3� ���������(�������)��������
��������������������������
��������������������������
����4����������������������(�������)���������������������
�������������(���������)���
��������������������������
�����
5�������������������������

S1a

Cout

S1

Cin

E1

VB

VD

S4
S4a

td

S3

S3

S3a

S3a

S2
S2a

S2
S2a

S1

S1

S1a

S1a

VL2

VL2

IL2

IL2

D�T0

D4

L3

S3

L2

DRB3
DRB1 SLC3

SL3��������

S1a

Cout
S1

VD

C1

1

td

td

D�T0
-IL2av

-I0

T0

t11
t10

S2
D2

L1

D1

D3
S3a

���������������

C1

1

td

M

C2
S2a

DRB4

t12

t14

t13

T0
t11
t10

t12

t14
t13

� �������������

� 8 ����(����)���(���������)�
��������������������������
�������������I0 ������������
� S3a ������������� S4 ������ S3�������������������������
�����������������������-I0�������(-I0�IL2)���������������
S3 ������� S3a ����������� td �������������SAZZ1 ������������
�������������������

150H

� ��������� ���������

－ 34 －

M

��� �����
� 9 ���������������������4 ��������� SAZZ-1 �� EV ����������
��������������������SAZZ-1 ��� EV ��������������������0�
30kW �������������������
SAZZ-1 ������� 1 ��(�������������)����������� 10 ����� 10 ���
��8kW ���������������������
���������������������������
2kW �������������98%��������
�����8kW ����������99%������
��������
��� SAZZ-1 �������������������
����� EV ����������� 11 �� 12 ����� 11 ����� SAZZ-1 �������������
��������������������������
�������������������� SAZZ �����������������������������
��������������������������
����������
� 12 ����������������������
��������������������������
������������������� SAZZ �����������������������������
�����������������
�

Input voltage Vin(50V/div)
Output current Iout
(10A/div)
Input current Iin(10A/div)

Output voltage Vout
(50V/div)

Stop

Run

� ����������

Input voltage Vin(50V/div)
Output current Iout
(10A/div)
Input current Iin(10A/div)
Output voltage Vout
(50V/div)

Traction mode

Regenerating mode� �������������

���� SAZZ �����������������
��������������������������
��������������������������
�������������
���� ���������
������������� SAZZ-1 �������
EV ������������������������
��������������������������
��������������������
�
P(SOC) Traction power limit�Output voltage reference
Current reference
�
Vout
IL2
VD� �
�
D�
PI
�
PI
Chopper
Mot/Reg��
VDFBK=Vout
�
IFBK
(SOC)
P
DC currentIL2
������������������������
�
P=I
lim, motlim, reg�Output voltage feedback���������������������
100
Output power [kW] at boost mode

30

Output power [kW] at buck mode

24

Efficiency [%]Output power [kW]3699

Efficiency [%]

18
98

12
6
0

97
1 2 3 4 5 66 7 8 9 1011

No
Output voltage[V]Input voltage[V]

1
230
280

2
270
330

3
320
400

4
320
160

11 16
5
230
160

6
330
300

21 12
7
240
300

8
300
400

9
270
210

26
10
400
300

13 31
11
250
300

12
300
400

13
220
300

14 15
14
240
280

15
290
410

������
1. Y. Tsuruta, Y. Ito and A. Kawamura �“Snubber-Assisted Zero-Voltage and Zero-Current
Transition Bilateral Buck and Boost Chopper for EV
Drive Application and Test Evaluation at 25 kW”,
IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.56, NO.1,
pp.4-11, Jan. (2009)
2. �����������������������SAZZ����������������������� 21 ��������������[4]�4-033�pp.58-59(2009)
3. ����������������������
���
��� SAZZ �������������������
21 ���������������vol.I�pp.675�678(2009)
4. Y. Tsuruta, M. Pavlovsky, and A. Kawamura �“Improvement for Very High Efficiency Chopper
Circuit SAZZ”�in Proc. of 13th European Conference
on Power Electronics and Applications (EPE2009),
DS1.1�0138, pp. 1-8, (2009)�� ��������� ������ ���������������������

－ 35 －

－ 36 －

������������������
������������������� ������� ������ ����

���������� �������������������������
�������PWM����������������

������� 1015 ���������������
�����������������������

�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
���������������������

�����������������
������������

� 2. ���������

� �1�������������

�������������

� 3. �����

EV ����������SAZZ ����� DSP ��� CAN ��,������������������
�������������������������
�������������������������
�������������������

�������������������������
210V �����������������������
��������������������������
������
���� ����������

���������
����������� PWM ������ 1015 ������ JC08 �������������������
�������������������������
��������������������������
������ SAZZ �����������������
�� 1 �����������������������
����������� 210V ������������

�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
������� 2 ������������������
��������������������������
�������������������������

��������

－ 37 －

���� ���� � 1 ��������������������
�����������������������
�������
��.�������

� 4. ���������

� 2. �� EV ����� 5. �����

� � 5 ������� 200Nm ������������
������������ �������������

���� ��������������
������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������

������ 250V ����������1015 ����5.3%�JC08 ���� 7.3%�������������
������������������� SAZZ � 2 ����� 1 ������������ 1015 ���� 8.0%�JC08���� 10.8%��������
���� EV ��������������������
��������������

�. ���������� �� SAZZ ������ 25kWh×���������
��������������������������
��������������������������
����� PWM �����������������
PAM ������������������������ ������������������

��������������������������

� 6 ��������� 250V �����������

����PAM �������������������

��������������������������
������������������������
250V �����������������

�����������������������
���� ���� ��� ��� ������

－ 38 －

�������� ���������

� 7 : PWM ��������������� ���������� �� ��������������

������������� 3 ����������

� 8 : PAM ��������������

���� PWM ��������������� PAM �� 1�2 ������ PWM ������������

�������������������0[rad/sec]��

��������������������������

100[rad/sec]���������� PWM ���� PAM

PAM �����������������������

��������������������������

�����������������������PAM�������������������������
��������������
��������������������� Psw [W]������������

����Vinv [V]������� DC ������Iave [A]�������������������Ton [S]����
������Toff [S]���������fsw [Hz]����� �������� ���� ��� ��������

��������������������������
� ph [W]����� pe [W]��������������

� 4 �����������������������

�������Vqref � Iq �����������������
��������������������������
��������������������������
����Vm [V]�������S [m2]���������

���������
���� ������ �����

����������������������

������������������������

�������������������������
� DC �����������������������

��������������������������
PWM �����������������������

�����������������������PAM�������������������������

��������������PWM ���������

���������������������

��������������������������

THIPWM(Third-Harmonic Injection Pulse Width

��PAM ������ PWM ������������

Modulation)����������

��������������������������

－ 39 －� �������� ���� ��� ��������� �������� ����� ������ ���������������
���������������

����0[rad/sec]�� 100[rad/sec]��������
�� THIPWM ���� PAM ������������
��������������
� 4 �� 7 �������PWM ����������
�������������� Vqref � Iq �������
��THIPWM �������������������
�������������������������
THIPWM ���������������������
���������������� PAM �������
�������

������
1. ����, ����, ���:"�����������
�������������",����������,� �������� ����� ������ ���������������
��������������

2007, 12�, ��, ��������� VT-07-13,
pp.17-22
2.Sho Inasaka ,Yukinori Tsuruta ,Atsuo Kawamura:

THIPWM ��������������� 3 ������ 1/6 ����� 3 ����������������
������������� PWM ������� 5,6 ����������������� PWM ������
�� THIPWM ��������������� 5 �����������������������������
� 6 ���PWM ������������������
�������������������������
���THIPWM ������������������
���������������������������
������������ THIPWM ��������

"Discussion on High Efficient DC Power Management
for Electric Vehicles", 2008 Korea-Japan Technical
Workshop on Semiconductor Power Converter,
pp.67-70, 2008
3. ���,����,����:"������������
�������������������", ��21������������������, R1-15,I667-I670,
2009
4. �� �,�� ��,�� ��,����� ����,"�������������������������
���������", 2010,3�,���������

����������PWM �������������
�������������

－ 40 －

������������������
����������������
� SiC ���������������������������������������������������
���� 2008 ���� 20 �����������������������������������������
������������������������������������������������������
���� 300�������������� 200������������
����� 5W/mK �������� 10ppm/K������� �����������������������������������������������������
2008 ��������2009 �������������2010 �����������������������2008��������������������2009 �������������������������������
�BN������������������� 2010 �������������������������

������
���� ��������������������� �����������������������������������������������������
�������������������������DDS����������� 67ppm �� 50ppm ������
�������������DDS ������������������������ 200������������
��������������������������������������� 2 �������������
����������� 3 �� 30,000 �������������

�����������������
��������������������������

30,000��

10.34

11,000��

9.34������������

200�

���g / cm3 �� ��������DDS�� ������������� �������-A��� ������

Ea (kJ/mol)�� ������-���������
�����ppm / ��������������
����� ��ppm/���������

154

��������

132

�� �����������������

�2 200������������
���� ����������
�����������������������������������������������������
����������������������������������� 47ppm ������ 200�������
������Tg��������������������������
��
�1 �������������
�������������

Tg

2�

4�

��4�

���
301
361
354
358

���
53.0
41.5
41.2
45.9

����2� ����3� Td5

��� ��������� �������
�
PPd
195
2.4
43.7
1�1
183
4.2
54.8
PdBA�1�
1 � 0.5
202
4.5
51.5
PdBA�0.5�
1 � 0.3
206
3.9
47.3
PdBA�0.3�
1� ����� 200�/4h�����2� ������������
3� ���������������4� ����������

－ 41 －

���������������������������������������������BN������
�������������60vol%��������� 5W/mK������ 10�12ppm/mK ������������ ����������������
���� �������
�������������������������� 300������������������������
��������������������������������������(NCY)�������������
������������ BADCY �����������������������������������
����� 4 �������������������������������������

OCN
CH2

CH2

Tg �300�

OCN

OCN

n

NCY (n=0�2)

C

Curing

O

CH2
O

O

N C O

O C N

H3C

Bisphenol
A dicyanate
BADCY(BADCY)

C

CH2

N
N
C

C
N

O
N

N
C

C

��������BMI�
O
C
H3C

CH3

CH3

triazine ring���������Pd�

�3
�2 300��������������

�4 ����������������� ������ 5 ���������������� 200�������� 310����� Tg ����������
48ppm ����������������������������������������������
1.0�1010

neat BMI
neat Pd

Uncuredbehavior

BMI + Pd
(1:0.3)

50

100

150

200
250
Te�perature (�)

300

tan�

strage modulus (Pa)
Storage

1.0�106

1.0�101

Modified !

350

BMI : Pd = 1 : 0.3
Tg (310�)Td5,10 (382, 408�)CTE (48 ppm/K)

1.0�10-2

�5 ���������������������������������

�����������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������

－ 42 －

������������������������ ��� � ��� ��� � ��� ��� ��� ���������

������������

���������������������������

������������������������ �������������������������������

�������� P-d ������������������

����������������������������

������� A ����������(DGEBA)������

����������������������������

����������������������� 1 : 1, 1 : 0.5,����������������������������

1 : 0.3 ����200�/4h �������

����������������������������

Fig. 1 ��������

����������������������������

����������

����������������������������

(PPd)���������

���� 1)��� 2)��������������������

�����������

��������Tg �������������������

������������

����������������������������

������������

� 1 : 0.3 ������������� Tg ��������

���PdBA ������

47ppm/K ������������������������

�������������Table 1 ������ 1 : 1 ��������������������������������

� 1 : 0.3 ��������������������Tg ������������2 ������������

�� 206���������� 47ppm/K ����������

���� ���

����� 1 : 0.3 �������������������
������������������������������
2),3)����������������������������

�� 1 ��

����������

����������������������������

����������

��������(BN)������������������

����������

���������������������������

����������

����������������������������

��Scheme 2������������������������

Fig. 1� The rmal e xpansion be havior of PP d and PdBA����������������������������

Sch eme 2� Chemica l str ucture of compounds.
1)

Table 1 Physical properties of Pd+DGEBA (PdBA)
Crosslink2)Tg2) ,3)No.
Ar-OH�epoxy
density��������������� in situ ����������
����������������������������

[�]
PPd

����������������������������
����������������������������

�

195

3

[kmol/m ]2.44) ,5)

CTE

6)

Td 5

6) ,7)

Residue[ppm/K]

[�]

[%]

43.7

323

53.0

PdBA1

1.0 : 1.0

183

4.2

54.8

335

37.7

PdBA0.5

1.0 : 0.5

202

4.5

51.5

335

40.3

PdBA0.3
1.0 : 0.3
206
3.9
47.3
339
41.4
1) Curing condition: 200�/4h2) By DVA (heating rate: 5�/min, frequency: 1Hz) 3) By rubber state formula T: (Tg+40)
4) By TMA (heating rate: 5�/min, under N2: 20ml/min) 5) Range: 50�~100�
6) By TGA (heating rate: 10�/min, under N2: 20ml/min) 7) At 700�

� 2 ��������������������������
����������������������������
������������� 4)�

������� �����������������������
������������������ PdBA0.3 ����������������� BN � 40, 50, 60vol%�����
�������� 150�/5h+200�/4h �������
Sch eme 1 � Rea cti on of polyb enzoxa zi ne wi th epoxy re si n.

Fig. 3 ���BN ����������������Mean dia mete r: 12 �m
De nsity: 2.3 g/cm 3
CTE: 2.8 ppm/K
TC: 60 W/m� K－ 43 －

Fig. 2� Proper ties of BN fille r.

������������������Fhamy-Ragai �����

������������Method B��������������
������������ BN ���

Method A ���������������������PMS����������������������������

�������� in situ �����������Fig. 4 (A)���

����������� N �������������� BN��������PMS ������������������

� N ��������������������������

�������������������PMS �������

����������������������������

�����������������Method B ������ Fig.

����������������������������

4 (B)(C)�������������������������

����������������������������

�������(KIC)������������������ PMS

������� Kanenari �����������������

����������������������������

����������������� BN ����������

����������������������� 1 : 0.3 �������������

������ 1 : 1 ��������������������

����������������������������
5)

CTE � 10 ppm/K ���TC � 5 W/m�K �������� ������������������� 70vol%�������
����������������������������

�������������KIC ���������� 36~49�
�����
PMI
St
DCP

Method A
Cure������������������������� 60vol%1step: 150�/10h(polymerization of PMS and cured resin)
2step: 180�/1h (cured resin)
3step: 200�/3h (cured resin)�����������������
PMI
St
DCP

Polymerization of PMS(120�/1h+150�/3h)

Pd
Fig. 4� SEMs of surfa ce s for PdBA modified in situ-ge ner ated PMS.

Fig. 4 � PMS ������������
����������PdBA0.3(213MPa) ����������� 160~180MPa ���
Fig. 3� Relation be twee n BN a nd CTE( le ft) or BN and TC(r igh t) for PdBA 0.3.

�������������������

Table 2 Thermal properties of Pd+epoxy+BN filler
MatrixEpoxy resin

BN3) ,4)

5)

CTE

Densityvol%[ppm/K]

3

Cp

6)[J/g�K]

6)

Diffusivity
2

ThermalConductivity[W/m�K] at 25�
1.445

PdBA0.3

1)

DGEBA

�

47.9

[g/cm ]
1.207

1.260

[mm /s]0.133

PdBA0.3

2)

DGEBA

40

27.3

1.609

0.889

1.010

PdBA0.3

2)

DGEBA

50

17.2

1.732

0.744

2.816

3.630

2)
DGEBA
60
12.8
1.846
0.771
3.326
PdBA0.3
1) Curing condition: 200�/4h 2) Curing condition: 150�/6h+200�/4h3) By TMA (heating rate: 5�/min, under: N2 20ml/min) 4) Range: 50�-100�
5) Picnometer method 6) By laserflash method at 25�

4.732

0.202

��PMS �������������������������
����������������������������
����������������������������
����������������������������
����4�����

���� ������� �� ��������������������

1� ���, ����������, 27, 4(2006)������������������������ ���

2� ����, � 59 ����������������, 161(2009)

PdBA1 �� PdBA0.3 ��������

3� ����, ������, In Press������������������

4� ����, � 60 ����������������, 49(2010)������� PMS ��������� � � � � � � 120 � /1h+150 �

5� ����, ������������ �����, �����, 88(2009)
Sch eme 3� Modifier.

/10h+180�/1h+200�/3h ������(Method A)����DGEBA
��������������������120�/1h+150�/3h
� PMS �������������������������

－ 44 －

������������������������������
����� ����� ����� �����
��������

�� ��������������������������

���������

���������������������������

���������������������������
�������������������

��������������

��������������������������

���� BMI : Pd �������������200�/4h���������������������������

����������������������� BMI ����������������������������

����� Pd ��������������������

������������������

���������� (DMA)������ (TMA)����

�����������

O

�� 2 ���������

N������������

O

������������

�� (TGA)����������

O
CH2

N

���������

O

Scheme 1 BMI�������������������������

���������� 4,4’- Bismaleimide diphenyl
methane (Scheme 1 BMI)���������������
O

��������
�������

N

CH2

O

N

������(PMI Scheme 5)�������������

�����������PMI=10�1 ����������
������������� 100-110�/8h ���(N2 �)�

Scheme 2 Type Pd benzoxazine�������

���������������������� N-������������������������-�����

��������������������

�-�������������

3,3’-(methylendi-4,1- phenylen)bis(3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) (Scheme 2 Pd ���������)����

������������PMI ����

N,N,-dimethylaniline(Scheme 5), tBu ���������

� BMI � Pd ��� 2 �����������������

���(tBu-Pa Scheme 5)� 1phr �����������

��������� 2 �����������������

�(100-110�/8h)������

��� 3 ���������������������

��������������������������

O(�����)���������������������

N�������� 1) (Scheme 3)�������������
�� 3 ������������������������

O
PMI��������������������������
��������(Scheme 4)���������� BMI �

Me
Me

O

N

N,N,dimethylaniline

N

tBu

tBu-PaScheme 5 Model compounds

Pd �������������������������

������������

����

+

N
R

Scheme 3 �� Pd �����

O

O

O
N

R

R

N

N

O

R'

DSC ������ Fig. 1 ����BMI � Pd ����������������������
BMI:Pd=1:0.3 �����������������
������������������������
BMI ���������������������
� Pd �����������������BMI-Pd������������������

N

N

R

BMI �������

R'

����������

O

O

OH

O

Nu:
O

Nu:

N

O

R''

Scheme 4 BMI �������������(BMI ������)�������
����������
����������BMI � Pd �����������
���������������(DSC)��������

－ 45 －

��� Tg ���������������� tan� ����DSC [mw]

��neat BMI
neat Pd
BMI + Pd (1:0.3)

���������������������������

Shifting

BMI�Pd=1�0.3 ��� Pd ��������������
�������������� BMI ����������
����

Sharp

1.0�1010

1.0�101

Modified !

����Fig. 1 DSC charts of resins

Uncuredbehavior

neat Pd
BMI + Pd
(1:0.3)tan�

Storagemodulus(Pa)(Pa)
stragemodulus���������������������

neat BMI

��������������� ������������� Table 1 ���� Tg
� Td5 �������� Fig. 2 �����

1.0�106

50

100

150

Tg1)

CTE2)3)

Td5 4)

Td104)

����ppm/��
K

���

���

neat BMI 1: 0

151

50.3

485

500

1 : 0.1

263

45.3

439

480

1 : 0.3

310

47.6

382

408

1:1

240

47.6

334

360

0.5 : 1

213

46.1

327

357

neat Pd 0 : 1

204

41.6

314

358

1) By DMA (heating rate: 5�/min, frequency:1Hz)

2) By TMA (heating rate: 5 �/min, Under: N2 20ml/min)3) Range 50� to 100�4) By TGA (heating rate: 5�/min, Under: N2 20ml/min)

300

350

1.0�10-2

Fig. 3 DMA charts of resins

Table 1 Thermal propaties of polybenzoxazine modified bismaleimide
Equivalence ratio(BMI : Pd)200
250
Te�perature (�)���������
Phenol � PMI �������������Fig. 4 ������������������������������
����������������������

500
300

1:0.3

���

���

250

400

Td5[�]

Tg[�]

���
��

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

Fig. 4 Product of model reaction between Phenol and PMI� ���PMI � N,N, -dimethylaniline � tBu-Pa ����200������������� PMI �����3 �����
������ PMI ������������������

300

150

40
60
80
100
Pd content [mol%]Fig. 2 Relationship between heat resistance and compounding ratio�����������������

Table 1 ���BMI ������ Tg ���������

1) T. Takeichi, Y. Saito, T. Agag, H. Muto, T. Kawaguchi,�

020������

���������������������� 200�/4h���������������������������

Polymer, 49, 1173 (2008).
2) ��, ��, ��, ��, ��������������

Fig. 2 ��������������� Tg �������
���������� BMI:Pd=1�0.3 ���� 200�/4h������� 310���� Tg ��������� BMI �
Pd ��������� BMI ��������������
������� Scheme 4 ������������ BMI���������������������������
�������������������������
Tg �������� 1�0.3 ������ Td5,10 �
382,408�����������������������
�����������������������
47ppm/K ���������������������
70ppm/K ���������������
� Fig. 3 �� DMA ����������BMI ������

－ 46 －

�, 60, 122 (2������

����������������������������
������ ���������� ����� �����
������������ ��������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

�����PY2 ��������������������

LSI �������������������������

��������������������(DMA)����

�����������������������������(TMA)����������������������

���������������������������

� 1 �������������������������

���������������������������

���������������������������

������������ 2)��������������

���������������������������

��������������������������

������������

�������������� 4,4’-����������
���(DDS)���������������������
����������������������� 1)�
��������������������������
���������������������������
��������� PY2 ���������������

Epoxy resins

Horizontal view

Vertical view

Bisphenol A���������������������������
������������������
Naphthalene
CH3
H2C CH CH2 OOOHO CH2 CH CH2
OCH3

Bisphenol-A diglycidyl ether (DGEBA),
JER-828 (Japan Epoxy Resins)(Bisphenol-A type epoxy resin)
CH2 CH CH2
O

O

OH

OH

OH

H2C CH CH2 O
O

HO

1,6-Naphthalenediol diglycidyl ether,
EPICLON-HP4032D (DIC)(Naphthalene type epoxy resin)O

H2C CH CH2 O
O

CH2 CH CH2
O

+

P

-

B

4

CH3

4

TPP-MK (Hokko Chemical Industry)(Curing accelerator)

OH

Scheme 2 Stereostructures of epoxy resins

OH

CH 2

HO

OH

Curing agent

Pyrogallol dimer (PY2)(Pbenol type curing agent)

OH

OH
CH2

9,10-Anthracenediol-1,4'-dihydride diglycidyl ether,
JER-YX8800 (Japan Epoxy Resins)(Anthracene dihydride type epoxy resin)

Dihydroanthracene

Pyrogallol dimer (PY2)(Pbenol type curing agent)

Horizontal view

Vertical view

Pyrogallol
dimer (PY2)

OH
CH2

n

Phenol novolac(Phenol type curing agent)n
P C4H93

PhenolnovolacSCN

TPPB-SCN (Hokko Chemical Industry)(Curing accelerator)

Scheme 1 Epoxy resins, curing agents, and curing accelerators

Scheme 3 Stereostructures of curing agents��������� �������������������������
����-OH ����������������������
��������������������������
�������� PY2 ����������Fig. 1 ������������������������ PY2����������������������� 4 �������

�������� Table 1~4 �����Table 1,2 ���������������������� A ������
��������������(CTE)����������
����(Tg)�����Scheme 2 �����������
��������������������������
��������������������������

－ 47 －

��������������������� PY2 ������������������������������

���������������������������

���PY2 ����������������������

������ 180�/2h ����������������

��������� PY2 ������ 180�������

���� Tg �����Scheme 3 �����������

Tg ��������� PY2 ��������������

����-OH ��������������������

��������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������Table 3 ��������

�������������

���������������������������

���PY2 ����������������������

������Tg �������������������

���������������������������

���������������������������

�������������

Table 4 Thermal properties of epoxy resins1)

PY2
Tg2)
Curing condition
ratio
(�)
1
0.6
162
2
0.8
199
120�/1h+180�/2h
3
1
205
4
1.2
185
1�Epoxy Resin: HP-4032D
Curing agent: PY2Curing accelerator: TPP-MK (0.5 phr)2) By DMA Heating rate: 5�/min under air
3) By TMA(heating rate: 5�/minload:5.0g
under (N2 20ml/min), range: 50�100�
No.

[����]
1) ����, ����, ����, ����������
����������, 59, 129 (2009)2) ����� DIC Technical Review No.7 / 2001

CTE3)
(ppm)
57.5
57.7
57.1
53.2

��������
�� Table 4 ���PY2 ���������������
���:PY2 ����� 1:0.8 ���� 1:1 ��������
�������
Table 1 Thermal properties of epoxy resins cured phenol novolac

Curing
CTE3)
Tg2)
Remark
agent
(�)
(ppm)
PhenolBisphenolA
139
69.1
Transparent
NovolacPhenolNaphthalene
150
60.5Transparent
NovolacPhenolDihydroAnthracene
166
58.4
Transparent
Novolac
1) Curing accelerator: TPPB-SCN 0.5 phr Curing condition: 120�/2h+180�/2h2) By DMA Heating rate: 5�/min under air
3) By TMA(heating rate: 5�/min load:5.0g under (N2 20ml/min) �range: 50�100�
Epoxy resin1)

Table 2 Thermal properties of epoxy resins
Epoxy resin1)

Curing
agent

Tg2)
(�)

CTE3)
(ppm)

RemarkBisphenolA

PY2

182

72.3

Transparent

Naphthalene

PY2

198

61.0

Transparent

DihydroAnthracene

PY2

203

58.7

Transparent

1) Curing accelerator: TPPB-SCN 0.5 phr Curing condition: 120�/2h+180�/2h2) By DMA Heating rate: 5�/min under air
3) By TMA(heating rate: 5�/min load:5.0g under (N2 20ml/min) �range: 50�100�

Table 3 Thermal properties of epoxy resins
Curing condition

Tg2)
(�)

CTE3)
(ppm)

PY2

120�/1h+180�/2h

198

61.0

PY2

120�/1h+140�/2h+180�/2h

201

57.7

Epoxy resin1)

Curingagent

Naphthalene
Naphthalene

1) Curing accelerator: TPPB-SCN 0.5 phr
2) By DMA Heating rate: 5�/min under air
3) By TMA(heating rate: 5�/min load:5.0g under (N2 20ml/min) �range: 50�100�

��� Fig. 5�Table 5 ���������������
PY2 �������������������������
����PY2 ���������������������
����������������

������������ �������������������������
����-OH ��������������������

－ 48 －

������� �����������������������
����������� ����� �����
����������N C O R O C N��HCCH2 CH

Curing

R
O

R
O

N N
R O N ORN N
R O N ORBADCY

Dicyanate monomer

Scheme 1

CH2O (CH2CH2O)n CH3

Styrene (�)
St

O N O
N N
O
R
O
triazine ring
N N
O
N
O
R
R

R

CH2 CHCH

O CNC OCH2 CHC

CH CH

���������������������������
���������������������������
������ A �������������
�������������
����������������������
�������� �����������������������������
���������������������������
�

C
CH3

CH CH

CH2 CHO CNC Ox

O CNC O

CH2O

CH2CH2O n CH3y(n=45)PMSE

� 300������������������������

���������������������������

O

Dicumyl peroxide (DCP)�����������������
������������ �����������������������������

CH3
O

CH3

�������������������������

��������������������������

�-p-Vinylbenzyl-��methyl-poly(ethylene oxide)�
�VBPEO 2000�
CH3

Radicalpolymerization

Polycyanurate���������������������������

(n=45)

N-phenylmaleimide (PMI)

Scheme 3�������� 2phr �������������� 85�����������������85�/3h+100�/4h+150�
/1h+177�/3h+210�/1h+250�/2h ������������
���������������������������
���������������������� 150�
/1h+177�/3h+210�/1h+250�/2h ��������� �������������������������
�����������������������������
�����������������������������
��������������������������
��������������������������OCN

N C O R O C N

CH2

R

OCN

OCN

RCOO

CH2

2+

R=

n
(n=0~2)

BADCY

2 Cu

C9H19

Copper naphthenate

Novolac type cyanateOH

p-Nonylphenol

Scheme 4

Scheme 2�����������
������������������
�������������������� ���������
����������������������������
������� ������������������
������
������������������������������ ����������������������������������

���������������������������
���������������������

�� ����������������� ������ � �����
������ BADCY � NCY ���� 2.5�1 ������� � � � � � ��������������������������1�
�� PMS � PEO ������������������
����������������� PMS ������
PEO ������ PMSE ���������������
���������������� PMSE �������
���������������������������

������������������������

��������������
������������������ 80�������
���������(PMI+St+VBPEO 2000)��������
������� 1mol����������� DCP ������(������+ p-��������)�������������

－ 49 －

Table1 Physical properties of BADCY+NCY+PMSE cyanate ester resins
Modifier
Flexural Properties6)
KIC
Resin
Strength Modulus Strain
PMS4) VBPEO5)(wt%) (mol%) (MN/m3/2) (MPa)
(GPa)
(%)
0.60±0.03 158±11 3.4±0.03 8.8
BADCY+NCY(2.5:1)1)

Tg
(�)
316

2), 3)
83
1.03±0.04 160±6 3.5±0.2 8.3
312
+PMSE
8
319
+PMS2), 3)00.72±0.02 156±5 3.5±0.1
81) Curing conditions; 150�/1h+177�/3h+210�/1h+250�/2h2) Curing conditions; 85�/3h+100�/4h+150�/1h+177�/3h+210�/1h+250�/2h3) Initiator; DCP(1mol%), 4) (PMI+St)/(Resin+PMS), 5) VBPEO/(PMI+St)
6) Sample size; 2×10×41.5mm

� DMA �������������
�Fig. 1�������A) BADCY(2.5) +NCY +PMSE(8wt%)

��������������’�������������B) BADCY(2.5) +NCY +PMSE(13wt%)

Fig. 3 SEMs of fracture surface for resins���������������������������
��������������������������

Table 2 Physical properties of cyanate ester resins
Modifier
Flexural Properties3)
KIC
1)
2)
Strength Modulus Strain
PMS
VBPEO
(wt%)
(mol%) (MN/m3/2) (MPa)
(GPa)
(%)
0.60±0.03 158±11 3.4±0.03 8.84

���������������������������
���������� PMSE ����������’���������� PEO �����������������
����
11

�

��

10

10

1

10 -1

9

10

Tan �

Storage modulus G' (Pa)630.87±0.02 165±6 3.5±0.1
83
1.03±0.04 160±6 3.5±0.2
103
1.00±0.02 150±2 3.3±0.1
123
0.96±0.04 140±5 3.3±0.1
133
0.93±0.02 123±5 3.2±0.1
1) (PMI+St)/(Resin+PMS), 2) VBPEO/(PMI+St)
3) Sample size; 2×10×41.5mm, 4) By DMA

10

10

8.88
8.3
8.45
8.1
7.2

Tg4)
(�)
316
311
312
308
306
305

������� ���������������������
���������������������������

Control
PMSE
PMS

8

10

10-2

��� ��� ���������������
������� ��

7

10

-50

0

50

100
150
200
Temperature (�)250��� ������������������

300

10-3
350

���� ���������� ��������������������
����������������� �����������

Fig. Dynamic viscoelastic
for BADCY+NCY +modifier resins
Fig. 1 analysis
DMA chatsof resins
hearting rate: 5 �/ min, under air������������
Table 3 Thermal properties of resins
Modifier VBPEO 2000
Td52)
Td102)(PMI+St)3)
Conc.4)
(�)
(�)
(wt%)
(mol%)
435
439
6
3
420
425
8
3
415
424
10
3
412
419
12
3
411
420
13
3
401
415
1) By DMA, 2) By TGA (under N2 )3) PMS/(Resin+PMS), 4) VBPEO/(PMI+St)� ���������������� SEM �������
�Fig 2�
�PMS ���������������
��������������������������������
PMSE ������������������� SEM �������������������������� PEO
��������������������������
��������������������������

Residual
weight��600�(%)
56.3
50.8
49.1
47.1
45.6
44.8

�1�������������������������
��59�109 (2009)�������

���������

BADCY(2.5) +NCY +PMS(8wt%)

���

BADCY(2.5) +NCY +PMSE(8wt%)

Fig. 2 SEMs of fracture surface for resins� �� ���� ������ ��� ���������������
����������������������������
������������������������ �������������������� ���� ���� �������������������
����������������
������������ ������������ ���� ������ ���������� �����������

－ 50 －

����������������
��������������������������
���(����)� ����� �����������

O

� �������� (PI)����������������
��������������������������
����� PI ��������������PI �����

F3C

O

CF3

N

N

O

O

H3C

CH3

H3C

CH3

m

O

N

N

O

O

H3C

CH3

H3C

CH3

n

O
N2

���������������������������

SO3H

O

�2H2O

N

����������
��������������� PAA

O S O
O

�� PI �����������������������

CH3

O

OH

PMI

HBSA

PC-5 ®

��������������� PI ����������

Scheme 1�������

H2 N

O

O

NH2

���������������������������

(PC-5 )�PMI ���������������������������

��������

��� (NRDP)��������������������

��������OOO

� 10 ������

O

O

O

O

O

O

�� 1)�O

O

S

PI(6FDA/DSDA-DAD)��������� (PAA)����������� PI ������� N-��������� (PMI)��������

O

�

O

O
SO3 H

O

PDAS

O

BTDA
F3 C

CF3

O
O
O

��������������������������

�������� PAA ������������ PI (Scheme 1)�����

�������

����� (HBSA)(Scheme 1)�������������

10 �������������������������

BPDA

6FDA

O

Scheme 2(���������(PC-5®))�PMI�p-���������

�����75����������� (���������������

����� (���� 365nm�436nm)���������

(TMAH)���)�������������������

���������������� (5wt% TMAH ���)������������������ NRDP �����

���������������������������

����� 2)���������������������

�������������������

���������������������������

��������������������������

���������PI ����������������

��������������� 6FDA (Scheme 2)����

����� 2)���� HBSA (Scheme 1)�������

����������������� NRDP ������

��������������������������

PI ����������
������������������� (SPI)����
������� NRDP ����������������
���������������������������
���������� NRDP ������������ PI

��SPI �����������������������
� (Scheme 3)��������������������
�����������SPI (BTDA/DSDA-DAD/PDAS)�
20wt%NMP ������� (PC-5®)�PMI���� Scheme
3 ����������������� 10wt%�20wt%�

���������������������������

5wt%���������������� 10 �������

�������� NRDP ��������������

�����������������75���������
������������������������

�������������

(300mJ/cm2)�����5wt%TMAH ����������SPI ���

���������������������������

� Scheme 1 ���������������������

��������������������������

������� (PDAS (Scheme 2)��)��������

��������������SPI ������������������������

���������������������������

��� (����)�������������������

����������
���BTDA�BPDA (Scheme 2)� 6FDA (Scheme 2)�
������� SPI ������

������������ 13C-NMR �����������
���������������������������
���� SEM ��������

�������SPI � 1-���-2-����� (NMP)���������

－ 51 －SPI �� NRDP ��������������������� SPI ������ � � � � � � � � NRDP � � � � � � � � PDAS

��������������

(Scheme 2)�������� SPI ������������ ����� SPI �� 13C-NMR ���������230���������PDAS ����������������

���������������������������

���������������������������

����������������������� SEM ����������������������������

���������������������������

������������� (Table 1, Entries 1, 2, 3)�������������������� (Fig. 1)�

��SPI (Table 1, Entry 2)�����������������(Table 1, Entry 5)2)����������������

25�m��������SPI �����������������

25�m����������Table 1, Entry 3 � SPI ������
PMI �������������������PMI ��������������������
����������� NRDP ������������� BTDA�BPDA ��������

Before heating���������������������������
���� NRDP �������������6FDA ������������������������������
������������������� (Table 1, Entries6, 7)�

Table 1 Effect of sulfonic acid content on pattern formation

SulfonatedFilm
Development
diamineTetra
3)
4)
Resolution
3) Residual
time(Content ofEntry carboxylic
thickness[%][�m][min'sec]
anhyderide sulfonic acid[�m][wt%])
1

PDAS (3.0)

2)

47'36

2

PDAS (8.8)

2)
2)

4

Fig. 1 SEM images of patterns of SPI (BTDA/DSDA-DAD/PDAS) based

� on NRDP

� Conditions : 10wt% PC-5®, 20wt% PMI and 5wt% Phenol for SPI.
� Development : 5wt% TMAHaq, r.t. / immersion / 16 min 06 sec. Film�

1)

After heating

thickness : (Before) 8.0�m, (After) 7.0�m����������SPI ������������ NRDP ��������
������������ 6FDA �����������

10.3�7.7

75

025

23'34

09.9�6.2

63015�������PMI ���������� (PMI �)���

19'21

14.2�3.5

25015- (HBSA 05.0)

32'42

10.6�3.5

77-

�� (PMI �)����������������BTDA �

5- (HBSA 10.0)

27'42

11.7�8.9

76

200

6

BTDA

PDAS (10.0)

2)

16'06

10.3�3.8

37015��������������������������

7

BPDA

PDAS (10.3)

2)

18'41

08.8�3.2

36100���������������������������

6FDA

3

PDAS (11.7)®

���������������������������

21) PC-5 (10wt% for SPI), PMI (20wt% for SPI), Exposure dose : 300mJ/cm
Development condition : 5wt% TMAHaq, r.t. / immersion2) Content of sulfonic acid [wt%] = (Molecular weight of sulfonated amine units / Molecular weight of all units)
×1003) At exposure area 4) By SEM��������������������������

�����������������
[����]
1) T. Oyama, S. Sugawara, Y. Shimizu, X. Cheng, M.

�
BTDA ���� SPI ����������������
����� (Scheme 3)����������������

597 (2009).
2) �����, ����, ����, ���, ����, ����������������������������
���������SPI ����� PI ���������
��������������������������
���������������� (Scheme 3)�����
���������������������������
���������������������������
��������������������������
�����������������������
OH

OH

Phenol

HO

OH
OH
OH

PY

Tris-PATomoi, A. Takahashi, J. Photopolym. Sci. Technol., 22,OH

Scheme 3－ 52 －

��������, 58, 4138 (2009).

���������� �����������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������ �������������� � ���� ������������������������

�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������SiC ��������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������
���� Si ������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
������������

－ 53 －

���� SiC ������������������������������������������������
���������������������������������������
���� ��������������������������������������������������
������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������������������������������������
�����������
���� ������������������������������ �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������� ������ ������������������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
����������
������������������������������������������������������
���������������������������������������������������Tj���������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������
�����������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
FEM �������������������������������������� ����������������������������� ��� �����������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������Manson-Coffin ���������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������� � ��������������������������������

－ 54 －

��

Current������ �� i � N fi ���������������

��

���

Ni
i �1 N fi
n

� ��

……

� � � � � � � ���

1 � �� �
N fi � �� i ��
2 � �0 �

Temp.

� � � � �

a

���
�

���� N fi ���������������������

……

�Tj

�� i ���������������������������� ��������������������������
Time��� ��������� Power-on-off �����������������������������
���������������������������

��������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������������������
����������������������������������������
������������ IGBT ���������������������

�����������

����������������������������������������
����(IGBT)�����(Cu� AlN� Cu)�������(Al)�������

������������

����������� Sn-Ag-Cu ������������������� ������������������

����� Al �����������������������������
����������� � �������������������������

�����������

������������������������������������
������������

�������������������������� � ���������
����(Sn-Ag-Cu)���������������� ��������� Power-on-off�����������Y
Al wire bonding (dim0.2)
Si (3�3�0.2)

X

Z

Sn-Ag-Cu Solder(3�3�0.1)

Al(15�15�1.5)
Sn-Ag-Cu Solder(11�11�0.1)

AlN(11�11�0.3)
Cu(11�11�0.2)

Cu(4�8�0.2)(2�8�0.2)[mm]

��� IGBT ��������������

－ 55 －

� FEM ��(��-�����)����������������������������������������
����������������������������������������(a)� DC IN(�����)� DC
OUT(�����)������������������������ Cu �����Al �������������
������������������������������������������������������
������������� JIS �� C7021 B-6(����� 1997 ���������)������ON ��� 2 ��
OFF ��� 18 ����������������(b)�������������������(c)���������
��� 25�������������������������������������������������
������������������������������DC IN

Current flow

DC OUTY

Z

X(a) ���������

Current

��

��

……

2sec

Time

18sec

(b) �������
Y
Evolution of heat
X
Heat flow
Fixed to 25�(c) ��������� �����

－ 56 －

��� ���������������
Al
wire bonding heat spreader
Conductivity [W/mm�K]
0.237
37700
Electrical Conductivity [/��mm]
2.69
Density [10-6kg/mm3]
900
Specific Heat [J/kg�K]

Si

SnAgCu

Cu

AlN

chip
0.148
0.5

joint layer
0.055
9090.9pattern
0.401
59600

insulator
0.15

2.33
700

7.4
234

8.96
380

-15

1×10
3.4
710

���������������������������������������-�������������
������������������������������������������������������
������������� FEM ���������-����������-������������������
�������FEM ������ 4 �������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������-���������������������������1 ��������������
�����������������(2 ����)��������� 1 ���������������������
�����������������������������������������
���� ���������������
Al
wire bonding heat spreader
70000
0.3
21.5

Young's Modulus [MPa]Poisson’s ratio
CTE [10-6/�C]Si
chip
1308000.28

SnAgCujoint layer
40000
0.3

Cu
pattern
1200000.3

AlN
insulator
320000
0.24

4.2

23

17

4.6

�������������������������“��������������� 500 ��”��������
����������������������������������������� 500 ����������
���������� ���� Manson-Coffin ������� �� in ��������������������������������
������������������������������������������������������
�������� 1.5 ������������������������������� 1 ������������

��������� 2�� in �������� �� in �������������������������������

��������������
�� ����-�����������(a)~(d)�
1cycle�����(a)��������������

1.6E-02
1.4E-02����������������� Cu ��

15��������������������

������Sn-Ag-Cu ����������

1.0E-02

Inelastic strain

8.0E-0310

6.0E-03

Current [A]Current

1.2E-02
Inelastic strain [-]20

54.0E-032.0E-032 �� in������(b)�������������
��������������������
���������������������
����������������(c)�(d)�
�����(c)��������������

0.0E+00

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Time [sec]���������������������
��������������������
������������������������ �����������

����������������������
���������������������

－ 57 －

�������������������������(d)� 1 �������������������������
��������������������������������������������������������������������������-������������ � � � � � � � � � � (a) ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (b) ������
[V]

2[A/mm ]
312.2
286.1
260.1
234.1
208.1
182.1
156.1
130.1
104.1
78.0
52.0
26.0
0.0

3.94
3.62
3.29
2.96
2.63
2.30
1.97
1.65
1.32
0.99
0.66
0.33
0.00

[�C ]
173.5
161.4
149.2
137.1
125.0
112.8
100.7
88.6
76.4
64.3
52.2
40.0
27.9

[�C ]
173.5
161.4
149.2
137.1
125.0
112.8
100.7
88.6
76.4
64.3
52.2
40.0
27.9

����������������������� � � � � � � � � � �������������������� � � � ��� ������������

� �-������������(a)~(b)������(a)��� 1 �������������������������
���������������������������������������������(d)�������
������������������������������������������(b)� 1 ��������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������������-������������� 1 �������������������
�����������������
[�10 ]
12.57
11.55
10.53
9.51
8.50
7.48
6.46
5.44
4.42
3.41
2.39
1.37
0.35

160

Temperature

140

1.5E-02

120
Strain [-]1.2E-02

100
Inelastic strain

9.0E-038060

6.0E-0340
3.0E-0320

0.0E+00

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Time [sec]� � � ������������������ � � � � � � � � � � � �������������������
����������������

－ 58 －

22

Temperature [�]1.8E-02-4��������������������������� � ��������� � � � �������������
������������������������������������������������������
������������ ������������������������������������������
������������������������������������������������������
����������������������������������������������������

�

Crack

X
Z

STEP 1

STEP 2

STEP 3

STEP 4

STEP 5

STEP 6

���������������������������
�
[�C ]
177.6
167.3
157.0
146.8
136.5
126.2
116.0
105.7
95.4
85.2
74.9
64.6
54.4

[�C ]
159.8
151.0
142.2
133.3
124.5
115.7
106.8
98.0
89.1
80.3
71.5
62.6
53.8

[�C ]
331.1
309.9
288.6
267.4
246.1
224.9
203.6
182.4
161.2
139.9
118.7
97.4
76.1

X
Z

STEP 0

STEP 1

STEP 6

�������������������������� ����������� ����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������� �����������������������������������������������������
����������������������������������������������������
��

－ 59 －

���� �������������
SiC �������������������������������(Ag)�������������������
����������� Ag ���� Ag �������������300���������������� Ag ���������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������� 1 � 1 �������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������
������������� SiC �������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������
���������������� CTE ����������������������������������
������������������������������������ CTE ������������� CTE������������������������������ 2 �����������(a)��A���B���2 ��������������������������������������������������������
������������������������������������A�
�B���������������
�������������������� CTE �������������������������������
����������������
������������ x �����������������

x � L � (� high � � low ) � �T ������������������������������������������������������������
�L ���������������high��low ������������������� CTE��T ���������
�������������������������������������������������������
������������������������������������������A�����������
��������������������������������������������������
30�m ���������������������������������30nm ��������������
��������������������������������������Digital Image Correlation Method;
DICM���������������������������������������������������
���������������������������������������� 5×5×2cm ���������
������������������������������ 1nm ���������������������
�����������������������������������

� �

x

�

t jo int(�)x ������������tjoint ��������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������

－ 60 －� ������������������������

�

Strain gauge
at bridge region

Ag nano paste������������������� thermal ����������������������������

�

(A)������� bridge ���������������

�

�

(B)

���� bridge � thermal ���������������

� bridge � � gauge � � thermal(5)(a)Ag �������������������

�

Outer
frames������������� F �� bridge ������
������ Ebridge�������� Sbridge ������

High CTE
material(� high )���������

F � � bridge � Ebridge � S bridge

� �

�

(6)

(B)

Inner
frames���������(7)���������

��

F
S jo int(A)

Low CTE
material(� low )L(7)� �

F ��(6)�����������Sjoint ��������

� gaugex
Sjoint�������������������������

Ebridge��������������������������
������������������������
�����A���B����������������

t joint

Sbridge�������������������������
�������������������������
�������������������������
���� ������������������������
������������������� DICM ������� OmistrainTM�OMI �����������(b) ���������

SUS304
�outer= 17.3ppm/K�������������������������
����� CCD ������������������

Sbridge�������������������������
������������������� Dx�Dy ���������������������������
�������������������������

Mo
�inner= 5.1ppm/K�������������������������
�������������������������
�������� 14nm�20 �������������
�����������������-65��350���
��������� 50�/min ������������
������������������(c) ��������
��� Ag ����������������

－ 61 －

������
�������
��������������
����������
������

D�
Dx

� 10�

DICM ������� ����������������������
��������������304�17.3���/����������������5.1���/������������� ������� EXTRA4020
������14nm
������0.3N������������ 1.0×10-5 ������
����������-10��80�������xmax=L×(�outer��inner)×���L=36mm ������
=36mm×(17.3ppm/K�5.1ppm/K)×90�
=39�������Pmax=�yMo×Sbridge�Sbridge=2mm2 ������
=400MPa×�mm2=800N
������������������������������������������ 11 �������� Ag
����������������Shear Stress, �� (MPa)

20

No.1

10

No.2

0
0.00

0.01
0.02
Shear Strain, � (-)

� 11� Ag �������������������

－ 62 －

0.03

���� �������������������
����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������������������� 300�������������������������
�� Power-on-off ������������������������ 21 ���������������������
����������������������������������������������� 12 �����
������������������������������������������������������
���������������������������������������

�� ��� �������������������
�������������������
�������������������������

������������������������

��������������������

�����������������

�����������������

������������������

���������350���������������50��350�������������������������

������������� ���������������������������������������(a)�����(b)�����(c)����� 3 ������������������������������������������ IGBT
�Insulated Gate Bipolar Transistor���������������������������[47-49]��������
����������������������������� Si ��������������SiC�������
������GaN���������������������������������� ������������������������������������������������������
�����Al2O3�������������������AlN�������������������������
����������������[51]������������������������������������
�����������������������Cu�����������������������������
��������������������������������������������� ������������ Si ��������������� 150����������������������
������ SiC ��������������������������������������� Si �����
�� 2 ����������� 400��������������������������������������
������������������������������������������������������

－ 63 －

������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������
� SiC ������������������������������ 3 ��������������������
��������������������������������������������� SW ������
��������������������[52-53]�������������������������������
������������������������������������������������������
��� �������������������������������������������SiC � Si �����
�������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������� ADEKA������� 400�������������������������������
��������� ������������FEM ��������������������������������������
��������� Si ������������������������������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������� ������� 13 ������������������������������� CTE ����������
������������������������������������������������������
�������������������Al��������������������������������Al����������������������������������������������� Al �����
���� Al ���������������������� AlSi � AuSn �������������������
������������������������������������������� CTE ��������
��������������������������������������������������Ag��
����������������������������������������������300������
������������������������������������������������������
�������������������������������������
Conventional Structure-50~150�C

Proposed Structure-50~300�C

Solder layer
Si chip

SiC chip

High-temperature-resistant joint layer
��

��
Cu/Al
substrate

Pure Al
substrate

Contraction
by cooling� � � (a) Si ����������

Contraction
by cooling� (b) ���������������

���� ��� ���������������
������������������������������������������������������
����������������������������������
(a) �����Al���������� CTE ������Al �����������������������(b) �����Al���������������������������������������(c) �������Ag ������Al ��������������
����������������������������������������������������

－ 64 －

�����������������
20 ��� ���� 13 ������� 1 �
21 ��� ����� 9 ������� 2 �
22 �� ����� 8 �
���
20 �� � 22 ��������������������������
21 �� EPTC2009 ������������

－ 65 －

－ 66 －

(a) ����(b) ������
2[A/mm ]
312.2
286.1
260.1
234.1
208.1
182.1
156.1
130.1
104.1
78.0
52.0
26.0
0.0

3.94
3.62
3.29
2.96
2.63
2.30
1.97
1.65
1.32
0.99
0.66
0.33
0.00

[�C ]
173.5
161.4
149.2
137.1
125.0
112.8
100.7
88.6
76.4
64.3
52.2
40.0
27.9

[�C ]
173.5
161.4
149.2
137.1
125.0
112.8
100.7
88.6
76.4
64.3
52.2
40.0
27.9

(c) ������������������
P.58 ��(d) ��������������

�����������

[�10-4]
12.57
11.55
10.53
9.51
8.50
7.48
6.46
5.44
4.42
3.41
2.39
1.37
0.35

1.8E-02160

Temperature

140

1.5E-02

120
Strain [-]1.2E-02

100
Inelastic strain

9.0E-038060

6.0E-0340
3.0E-0320

0.0E+00

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Time [sec](a) ������������(b) ��������������

P.58 �� �����������

－ 67 －

22

Temperature [�][V]CrackXZSTEP 1

STEP 2

STEP 3

STEP 4

STEP 5

STEP 6(a) ����������������������
[�C ]
177.6
167.3
157.0
146.8
136.5
126.2
116.0
105.7
95.4
85.2
74.9
64.6
54.4

[�C ]
159.8
151.0
142.2
133.3
124.5
115.7
106.8
98.0
89.1
80.3
71.5
62.6
53.8

[�C ]
331.1
309.9
288.6
267.4
246.1
224.9
203.6
182.4
161.2
139.9
118.7
97.4
76.1

X
Z

STEP 1

STEP 0(b) ������������������

P.59 ��

���������

－ 68 －STEP 6

��������������
���� �������� ������ ������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������������� ���� ����������������������
��������������������������
���������������������������
�������������������������
��������������������������
�������� ������������ ���������
���� ���� ���������������� �������������������������
��������������������������
���������������������������
�����������������������������
��������������������������
����������������������������
��������������������������
��������������������
�������������/W���������W����������������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������ ���� ����������������������
��������������������������
������������������������
����������������������������
����������������������������
��������������������������
����������������������������
��������������������������
�������������� ��������������������������
����������������������������
��������������������������������
��������������������������

��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������� �������������������������
��������������������������
��������������������������
���������
���� ����������� � �����������������������
����������� mm �������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������� ������������
���� ������������������������� ��������������������������
���������������������������
����������Al2O3����������Si3N4������
�����AlN����������������������� � �����������������������
��������������������������
��������������������������� � � ����������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������� � � ���������������������������
��������������������������
�����������������������������
���������������������������
����－ 69 －

Chip (Silicon)(3mm�3mm�0.2mm)

Top view(i) Collector side

Junction(Solder)Current flow(ii) Emitter side
Lead frame(Aluminum)

Junction(Sn-Ag-Cu Solder)

Heat sink(Aluminum)(15mm�15mm�1.5mm)

Side view

12.5(� m )

Insulation plate(Aluminum nitride)(11mm�11mm�0.3mm)zConducting plate(Copper )Chip(Silicon)Base plate(Copper)(11mm�11mm�0.2mm)

Top layer(no cracks)
Layer withcracksBottomCopperlayer(no cracks)xJunction(Sn-Ag-Cu Solder)(11mm�11�0.1mm)

Lead frame

Chip(Silicon)�
Fig. 1 Structure of power device.[17]Conducting
plate

Insulation plate

Table 1 CTE (coefficient of thermal expansion)

Fig.2 Model of power device

and thermal conductivity [13,18].

(Side view in Fig.1)

Material
SiliconAluminum
AIN
Copper
Al2O3
Si3N4
AlSiC

Coefficient ofthermal expansion
2.6 ppm/°C
23 ppm/°C
4.3 ppm/°C
17 ppm/°C
3.2 ppm/°C
3.4 ppm/°C
7.0 ppm/°C

Thermalconductivity
100 W/m�K
237 W/m�K
170 W/m�K
390 W/m�K
23 W/m�K
90 W/m�K
200 W/m�K

Top view
60(A)R(N oomatu
ral temp
bo eraunda ture(ry
co 25�
nd
)
itio
n)

�

��� �����

)5� n)e(2 itio
tur ondera ry cpatem undom bo
Ro ural
at
(N

50�m

50�m

Fixed displacement(fundamental boundary condition)

Top view of solder mesh�Fig. 3 Model of power device (Model 1).

��
��
��
Ampere (A)� ��� � ��������������������
������37.5 �m ����� � ����������
������z ������ � ������������
��������������������������
��������������������������� ����� ����� ����� ����� � �������
�������������50 �m × 50 �m, 100 �m × 100
�m, 200 �m × 200 �m���� 50 �m × 50 �m�������
��������������������������
�� 0.1(s)��������CFL �����������
��������������������� ������ � ������������������
�(i)� 60A ������������(ii)� 0.0(V)����
������������������� 25�����
���������������������5.0×10-3(W/(mm2�K))���������������������
���������������������������� � ������������������������
��������� � ���� � �����������
��������������������������
��������
����� ON-OFF �����������
���������� � ����������� 3.5(s)�
����� 18(s)�����������

0(V)－ 70 －

����

One cycle

��
��
�
�

�

��

Time (s)��Fig. 4 Power cycle.

��

��
�

Table 2 Mesh resolution data.�
Total number ofnodes
Total number of
elements
Number of elementsin the solder layer(Number of nodes
with respect to solder
layer withcracks(Fig. 2))
Number of elementsin the chip
Number of elementsin the lead frame
Number of elementsin the conducting
plate
Number of elementsin the insulation
plate
Number of elementsin the base plate
Number of elementsin the junction
Number of elementsin the heat sink

Model 1Model 2Model 3Model 1’130766

49249

18146

10919667105(22371)32496(10832)8180(2729)

67110(22365)

16033

5007

1633

23642

909

452

465

612

12387

5706

2281

11812

3233

832

832

1260

3288

828

834

834

3348

849

844

849

24463

3079

3077

3077

24647

9460

3815

0
20
20
20
25
25
25
40
40
40
50
50
50
60
60
60
75
75
75
80
80
80
85
85
85
100
100
100
120
120
120
125
125
125

20211

�
Table 3 Material constants.
Material(Unit)

SiliconAluminum

Copper

Solder(Sn-Ag-Cu)

Aluminu
m nitride

Heat
Conductivity(W/(mmK))

0.148,27(27�)

0.237 (27�)

0.401 (27�)

0.060 (50�)

0.240
(77�)
[25]

0.396
(77�)

0.0587(100�)
[26]

0.17
(27�)

Electricalconductivity(S/mm)
Density(kg/mm3)
Specific heat(J/(kg·K))
Young’smodulus(GPa)
Poisson’s
ratio(Nondimensi
onal)
Coefficientof thermal
expansion(1/K)

0.119,(77�)

0.393(127�)[25]

0.0989(127�)[24]
0.5
2.33×10-6

0.10(123�)[27][28]

37.7×103

59.6×103

9.1×103

1.0×10-15

-6

-6

-6

3.40×10-6

2.70×10

8.96×10

7.40×10

700.0

900.0

380.0

234.0

710.0

131.0

70.0

120.0

40.0

320.0

0.28

0.30

0.30

0.30

0.24

2.63×10-6(27�)

21.0×10-6(38�)

16.5×10-6(20�)

2.2×10-5(22�)

4.3×10-6(25�)

2.99×10-6(77�)

25.0×10-6
(94�)
[25]

18.5×10-6(227�)[25]

2.3×10-5(100�)[30]

4.6×10-6(400�)[27]

3.27×10-6(127�)[29](Note) 1.00 S =1.00 �-1 = 1.00 A/V�
Table 4 Solder parameters of plastic strain [12,31].�
Yield stress
Plastic strain
Temperature
[MPa]
[�C]
-55
30.5
0.0
-55
38.6
0.00352-55
50.9
0.0214
-40
29.0
0.0
-40
36.7
0.00352-40
48.4
0.0214
-25
27.5
0.0
-25
34.8
0.00352-25
45.9
0.0214
0
25.0
0.0
0
31.6
0.00352

41.7
23.0
29.0
38.3
22.5
28.4
37.5
21.0
26.5
35.0
19.9
25.2
33.3
18.9
23.9
31.6
17.4
22.0
29.1
17.0
21.5
28.3
16.5
20.9
27.6
15.2
19.2
25.3
13.4
16.9
22.4
12.9
16.4
21.6

0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.02140.0
0.00352
0.0214

�
Table 5 Solder parameters of creep strain in Eq. (2) [12,31].�
Temperature
A [MPa/sec]n-40.0
1.1 × 10-25
13.2
-30.0
7.0 × 10-25
12.9
12.5
-20.0
3.4 × 10-24-10.0
1.7 × 10-23
12.2
11.9
0.0
8.3 × 10-23
11.6
10.0
4.1 × 10-22
20.0
2.0 × 10-21
11.3
10.9
30.0
9.9 × 10-21
10.6
40.0
4.9 × 10-20
50.0
2.4 × 10-19
10.3
10.0
60.0
1.2 × 10-18
9.6
70.0
5.9 × 10-18
80.0
2.9 × 10-17
9.3
9.0
90.0
1.4 × 10-16
100.0
7.1 × 10-16
8.7
8.4
110.0
3.5 × 10-15
8.0
120.0
1.7 × 10-14
130.0
8.4 × 10-14
7.7�

��� ���
���� ����
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������

－ 71 －� � ������ ����������������������nd�
� A � m2
dt

� �

�
(2)

�
����� A � n �� � �������� �m �����
������������
� 1 � � 2 �2 � �� 2 � � 3 �2 � �� 3 � � 1 �2
� �
2
m

2

�
(3)

�
�� �1��3 ���������
����� �������
������������������������
������������ � �������������
��������������������������
��������������������������
������������������� ���� ����������������������
��������������������������
�������������������������� �������������������������
�����������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�� ��������������������������
����������� ���������������������
��������������������������������
��������������������� ��������������
������������������ Sn-Ag-Cu ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���� ������������������ ��������
�� �� �
N � 1000 ��� 0.01 �

�1.24

(4)

N���������������� ���� ��� ���������������������� �� �����
��������������������������
�����������������
�

�� �
�

�� p � �� c2(5)��p � ��c ����������������������� ���� �� ������������ �� �� ��� ����������������������������
������������������ i �������
��������������������������
���������� i=0 ��������������
��������������������������
������������� �������� � ����������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������
Step 1Preprocessing
Start time

Step 2
Time
step
l=l+1

Coupled analysis
between electricity and heat
End time

Crack
phase
i=i+1

Temperature
Start time
Step 3

Time
step
l=l+1

Coupled analysis
between strain and heat
End time

Step 4
Step 5StrainFatigue life cycle
Post-processing

Fig. 5 Algorithm.
�� �������������������������
��������������������������
�������������� �������������������������
������������� � �������� i=0 ����������������� D=1 ���������
�������������������<1>�����
������������������
�D1,�1� �

n1
N1,�1�

(6)��� ni �������������������� Ni ���������������� D=1 ������������
�� n1 ����������
�n1 � N1,�1�
－ 72 －(7)���� � ��������������������� � �������������������������
���������������������������
��<1>���� D=1 ���������������
����������������� N ���������
���������<2>���������������
����<2>�������� D ����������
�

D2 , � 2 � �

n1

N1,�2�

�n2

N 2 ,� 2 ��N1,�1�
N1,� 2��n2

N 2 ,� 2 �

� 1 (8)�n2 ��������
�
(9)����� � �����������������
�n1

N 1,�3��n2

N 2 , � 3��n3

N 3, � 3��
N 2 ,� 2 � �
Nn3�1 � 1,�1� � �
�1
�
�
�
�
N 1,�3� N 2,�3� �
N 1,� 2 � � N 3,�3�
N 1,�1�

22371( Number of elements in mod el 1) � 1.5(h)(12)24(h) � 365(days)
� 3.8( years)���Nn2 � N 2,� 2� ��1 � 1,�1� ��� N1,�2� �

D3 , � 3 � ���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������� � � � � � � � � � � � � � � � � � PC � � � �Core(TM)2 Quad 2.83GHz����������������
�������������������� ��� ��������������������������
�

(10)

�
n3 ��������

������������������������������ � ����������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������������� ������������������������� �����������������������������
����������������������
��������� �����������������
����������
�

22371( Number of elements in mod el 1) � 1.5(h)(13)
500 � 24( h)� 2.8(days )

�

�� N
� N
���
N
n3 � N 3,�3� �1 � 1,�1� � 2,�2� ��1 � 1,�1� ��� (11)�� N1,�3� N 2,�3� � N1,�2� �������������������� ��� �������������
����������� �����������������
����������� � �����
���������������������������
������� � ������������������
���������
�������������� ������������������
�����������������������
����� � ������ � �������������
�����<1>��������<1>���������
�����������������
������������������������ � ��������� � �����������������
���������������������������
����������������
�������������������������

Fig. 6 Image of artificial crack propagation����� ��������� ���������������
�－ 73 －

��������������������������
��������(14)�
���������������������������
�����������������
������������������������������� �������������������������
(15)�
Crack area

Fig.7 Crack length����� ����������
���������������������������
��������������������������
�

L

(16)

0.00562��� �

1.023

�
� ������������� mm ����N ������������������������� � ��������������������������������
��������� x ����������������
������
�

2 L�
1.023
0.00562��� ��

0.00562 2.33 � 10 � 3
�in 50�m �

�

1.023

� 65701.023

� 21500(19)����� ���
��������������������������
���������������������

(���( � (17)) � (���)(���( � (17))(20)

������������������� ��������
���������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
����������������������� � ����������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���Model 1’110���Model 1

���

(17)

�
� � ������������������������
������
�2 � 50 � 10���� �������

y

N�

�

0.00562 9.12 � 10 � 3
�in 700�m ��������������������������
�

Solder layer (enlarged view )�3N�

Temperature (�)22])C
im racen kta len
ld g
at th
a (L
in )
re
f.
[
(E
xp
er

Crack length (L’)(Calculation data in this study )xN�

2 � 700 � 10 �3(��) �

Solder layerN����������������

100

��

Model 3Model 2
0

1.0

2.0

��
��
��
�

(18)

�

�

��

��

��

��

Time (s)���������� ����m �������������

Fig. 8 Time history of maximum temperature on solder layer－ 74 －(phase 0).

��� ���������������
���� ��������������� ���������������� � ����� � ���� ����������������������������
���������� � ������ �� �������
��������������������������
��������������������������
������������������������
Model 1110.0

Model 1’Model 3Temperature (�)100.0Model 2
90.0

80.0

70.0

0.0

3.0

2.0

1.0

4.0

5.0

��� ��� �� �� �����������������
�������������������������� �� �� �� ����� �� ����� �� ����������
��������������������������
���������������������������
������������������� �� ��� �����
��������������������������
����������� � ���������� � ������������� �� ����������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�����������x ��������������
��������������������������
���������������������� �����
��������������������������
������������ �

Distance (mm) according line in Fig.10

Fig. 9 Temperature distribution on solder layer at 25(s)0.014(phase 0)
4.24

107.2 �C

Maximum
temperature

Plastic strain

Model 1Model 1’0.010

Model 3Model 20.006

89.0 �C

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

Time (s)Fig. 11 Time history of maximum plastic strain on solder layer
0.0Distance�Fig.9�

(phase 0).

70.8 �C

Solder layer (Top view)Fig. 10 Temperature contours on solder layer at time 25 (s)Model 1
1.2�10-2

�
Table 6 Maximum temperature of solder layer in Fig. 9
Model 1 Model 2 Model 3
Model 1’Max
temperature 107.2°C 105.3°C 105.7°C
106.2°Cof solderlayer����� ��������������� �� ����������������������
��������������������������
������� �� �� ��� �������������������

Plastic strain(Model 1) (phase 0).

－ 75 －

Model 2

0.6�10-2

Model 3
0.0
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Distance (mm) according line in Fig. 13

Fig. 12 Plastic strain distribution on solder layer (phase 0).

�� �� �� ��� ����������� ������������� �� �� ����������� �������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������

1.31�10-2

4.24

Maximum
plastic strain

Distance�Fig.12�
9.62�10-4

0.0
Solder layer (Top view)Fig. 13 Plastic strain contour map of solder layer at time 25 (s)(Model 1)
113.6�C

71.0�C28.3�CA local stress is loadedon the solder layer
by thermal expansionzHigh temperature area
(Upper side)
Thermal expansionx
Chip

Lead frame
Insulation plate
Base plate

Low temperature area
(Bottom side)

Heat sink

Fig. 14 Temperature contours at time 25 (s) (Model 1) (phase 0)(Side view in Fig.1).

0.002

Creep strain

Model 1Model 1’0.001
Model 3Model 2

0.000

5.0

10.0
15.0
Time (s)

20.0

25.0

Fig. 15 Time history of maximum creep strain on solder layer(phase 0).
����� ����������������
�������������������� �� ������������������������������
��������������������������

����� ����� �������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
���AX=B�A����X������B�������
��������������������������
��������������������� AX=B ��������� � ���� � ����������������
��������� ���� ��������������
��������������������������
����������������������� � �������������������������������
��������� � �����������������
��������������������������
���������������� �� ��������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������� ��������������� ����������
����� � ������� �������������
������ � ������������������
���������������������������
��������������� �����������
���������������� ��� ��� �� ���� ����� � �� � �������� ��������
������� ��� �������������� ��������� �� �� �� �����������
�������������������������������
��������������������������
���������
����� �������
���������������� �� �������
����������� 0.2(mm2)�����������

－ 76 －

��������������������������
��������������������������
����� ������������������� �� �������������������������������
������������������� � ������� � ��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
�����������������������������
���������������������������� �����������������������������
���������������������������
��������������������������
�����������
�������������������������
����������������������Maximum voltage ( V )�����������

������
�����

107

Model 2Model 3������
�����������
�

�

�

�

�

��

Phase

Fig. 18 history of the maximum voltage with respect to phases

Model 20.03
Model 1

0.02
Model 3

0.01

0.00

5.0

15.0

10.0

20.0

25.0

Time (s)Fig. 21 Time history of maximum plastic strain on solder layer(phase 9).

0.006

Creep strain

Model 1Model 1

�����

0.004

108
Maximum temperature ( �C )������

Plastic strain��������������������������
��������������������������
������������������� �� �����
��������������������������
�������������������������� ����������������������������
����������������������������
��������������������������
����������������������������
������������� ��������������
������������������������ � ����������������� ��������� ��������������� �� �� �� �������� � ������������������� � ����������� �� �� �� � ����������� �������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
������������ �� �� �� ���������

Model 1Model 30.002

Model 2Model 3

106

105

0.000
Model 2

0

2

4

6

5.0

10.0
15.0
Time (s)

20.0

25.0

Fig. 22 Time history of maximum creep strain on solder layer

8

Phase

(phase 9).

Fig. 17 history of the maximum temperature with respect tophases－ 77 －

Crack length (�m)

����
���
���
���
���
���
���
���
���
���
�

����
�������������������������
��������������������������
���������������������������
������ ������������� ������������
��������������������������
��������������������������
������������
�Model 3Model 2Model 1

�����
�

����

�����

�����

�����

Number of power cycle

Fig. 23 Crack length with respect to power cycles.

Table 7 Strain range� (maximum point) (phase 0).
Creepstrainrange(��c) inFig. 15
Plastic
strainrange(��p) inFig. 11�� in Eq.
(5)

Model 1
1.66×10-3(=2.37×10-3-7.1×10-4)

Model 2
1.32×10-3(=1.79×10-3- 4.74×10-4)

Model 3
1.46×10-3(=2.00×10-3- 5.39×10-4)

2.64×10-3(=1.31×10-2- 1.04×10-2)

3.42×10-3(=1.10×10-2- 7.58×10-2)

3.76×10-3(=1.21×10-2- 8.34×10-2)

2.15×10-3

2.37×10-3

2.61×10-3

Table 8 Strain range (maximum point) (phase 9).
Creepstrainrange(��c) inFig.22
Plastic
strainrange(��p) inFig.21
�� in Eq.
(5)

Model 1
4.11×10-3(=5.38×10-3-1.27×10-3)

Model 2
3.31×10-3(=4.33×10-3-1.02×10-3)

Model 3
3.47×10-3(=4.48×10-3-1.01×10-3)

1.41×10-2(=3.17×10-3-1.75×10-4)

1.36×10-2(=2.80×10-2-1.44×10-2)

1.29×10-2(=2.73×10-2-1.44×10-2)

9.12×10-3

8.43×10-3

8.20×10-3

Table 9 Number of power cycles with respect to crack length
Cracklength50 �m
700 �mModel 1Model 2Model 36727
(0.2 %)
14319(33.4%)

6000(9.5%)
14267(33.6%)

5308(23.8%)
14884(30.8%)[1] B.J. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices,
Springer, 2008.
[2] M. Ishiko, Y. Nishibe, Y. Yamada, T. Sugiyama, High PowerDensity Inverter for Automotive Electronics, IEICE technicalreport, 106, (2007), pp.17-22.
[3] H. Ye, M. Lin, C. Basaran, Failure modes and FEM analysisof power electronic packaging, Finite Elements in Analysis andDesign, 38, 7, (2002), pp.601-612.
[4] K. Nakahara, M. Tomoike, K. Nishimura, Heat Dissipation
Technologies for Power Devices, Fujitsu Denso Review, 9, 2,(1999), pp.47-51.
[5]A. Hamidi, G. Coquery, R. Lallemand, P. Vales, J.M. Dorkel,
Temperature measurements and thermal modeling of highpower IGBT multichip modules for reliability investigations intraction applications, Microelectronics Reliability, 38, (1998),
pp.1353-1359.
[6] Z. Khatir, S. Lefebvre, Thermal analysis of high power
IGBT modules, Proc. IEEE Int. Symp. Power Semiconductor
Devices ICs, (2000), pp.271-274.
[7] S. Benczkowski, Thermal SPICE Model, PCIM, (1998),
pp.61-66.
[8] Y. Fukuoka, M. Ishizuka, Thermal Analysis of a New HighDensity Package Cooling Technology Using Low Melting Point
Alloys, Japanese Journal of Applied Physics, 30, (1991),
pp.1313-1319.
[9]O. Usui, H. Muto, T. Kikunaga, Evaluation of temperature
distribution of a power semiconductor chip using
electrothermal simulation, IEEJ Transactions on Industry
Applications, 124, 1, (2004), pp.108-115.
[10] Y. Ikeda, K. Yoshihara, Thermal Design of Power Modules,
Fuji Electric Journal, 74, 6, (2001), pp.370-373.
[11] Y. Nagatomo, T. Nagase, S. Shimamura, FEM Analysis ofThermal Cycle Properties of the Substrates for Power Modules,
Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, 3, 4, (2000),
pp.330-334.
[12] K. Shinohara, Q. Yu, Reliability Evaluation of Power
Semiconductor Devices Using Coupled Analysis Simulation,
Proceedings of ITherm, (2010).
[13] W.D. Zhuang, P.C. Chang, F. Y. Chou, R. K. Shiue, Effectof solder creep on the reliability of large area die attachment,
Microelectronics Reliability, 41, (2001), pp.2011-2021.

－ 78 －

[14] J.B. Sauveplane, P. Tounsi, E. Scheid and A. Deram, 3D
electro-thermal investigations for reliability of ultra low ON
state resistance power MOSFET, Microelectronics Reliability,
48, 8-9, (2008), pp.1464-1467.
[15] B. Khong, M. Legros, P. Tounsi, Ph. Dupuy, X. Chauffleur,C. Levade, G. Vanderschaeve and E. Scheid, Characterizationand modelling of ageing failures on power MOSFET devices,
Microelectronics Reliability, 47, 9-11, (2007), pp.1735-1740.
[16] Y.C. Chan and D. Yang, Failure mechanisms of solderinterconnects under current stressing in advanced electronic
packages, Progress in Materials Science, 55, 5, (2010),
pp.428-475.
[17]H. Iwasaki, K. Hisano and T. Takamatsu, “Thermal
Problem of Next Generation Semiconductor Power Devices,”
JSME 2003 Annual Meeting, pp.251–252.
[18] T.J. Martens, G.F. Nellis, J.M. Pfotenhauer, T.M. Jahns,
Double-sided IPEM cooling using miniature heat pipes, IEEE
transactions on components and packaging technologies, 28, 4,(2005), pp.852-861.
[19] Japanese Industrial Standards, Environmental testing
methods and endurance testing methods for discrete
semiconductor devices, IS C 7021, 1977.
[20] H. Lu, W.S. Loh, T. Tilford, M. Johnson, C. Bailey,
Reliability of power electronic modules, Proceedings ofInterPACK, (2007), pp.883-888.
[21] C. Bailey, H. Lu, C. Yin, Modelling Reliability of powerelectronics packaging, Proceedings of InterPACK, (2009).
[22] Hua Lu, Chris Bailey, Chunyan Yin, Design for reliabilityof power electronics modules, Microelectronics Reliability, 49,(2009), pp.1250–1255.
[23] L.J. Ladani, J. Razmi, Stochastic finite element modelingof fatigue damage evolution for visco-plastic materials in

micro-electronics, Proceedings of ITherm, (2010).
[24]eFunda: The Ultimate Online Reference for Engineers,
http://www.efunda.com/.
[25] Edited by the National Astronomical Observatory,
Chronological Scientific Tables, Maruzen Co., Ltd. (2005).
[26] M. Sc. Souad Mhiaoui, Souad, Physical properties of lead
free solders in liquid and solid state, von der Fakultät fürNaturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen
Grades, (2007).
[27] A. Franco Júnior, D. J Shanafield, Thermal conductivity ofpolycrystalline aluminum nitride (AlN) ceramics, Cerâmica, 50,
315, (2004), pp.247-253.
[28] Glen A. Slack, The intrinsic thermal conductivity of AIN,
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 48, 7, (1987),
pp.641-647 .
[29] M. Okaji, Absolute thermal expansion measurements ofsingle-crystal silicon in the range 300–1300 K with aninterferometric dilatometer , International Journal of
Thermophysics, 9, 6, pp.1101-1109.
[30] T. Siewert, S. Liu, D.R. Smith, J.C. Madeni. Properties ofLead-Free Sol-ders. Database for solder properties withemphasis on new lead-free solders, Release 4.0, 2002.
[31] The Society of Materials Science, Japan, Factual Databaseon Creep and Creep-Fatigue Properties of Sn-37Pb andSn-3.5Ag Solders, The Society of Materials Science, (2004).
[32] T, Anzawa, M. Yamagiwa, T. Shibutani, Q. Yi and K.
Shinohara, Reliability Analysis of Solder Joint on Power
Module, Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers. 75(2009), pp.1340-1346.

Model 1
(Solder mesh size:
50 �m × 50 �m)

Model 2
(Solder mesh size:
100 �m × 100 �m)

Model 3
(Solder mesh size:
200 �m × 200 �m)(Number of deleted elements:
1000�

(Number of deleted elements:484�

(Number of deleted elements: 122)

Phase i=2
(Crack area :0.40mm2)－ 79 －

Phase i =4
(Crack area :0.80mm2)(Number of deleted elements:
2000�

(Number of deleted elements: 968�

(Number of deleted elements: 244)

(Number of deleted elements:
4500�

(Number of deleted elements:
2178�

(Number of deleted elements: 549)

Phase i =9
(Crack area :1.81mm2)

Fig. 16 Crack propagation on solder layer (temperature counter maps).

Model 1
(Solder mesh size:
50 �m × 50 �m)

Model 2
(Solder mesh size:
100 �m × 100 �m)

Model 3
(Solder mesh size:
200 �m × 200 �m)(Number of deleted elements: 484�

(Number of deleted elements: 122)

(Number of deleted elements: 968�

(Number of deleted elements: 244)

Phase i=2
(Crack area :0.40mm2)(Number of deleted elements:
1000
Phase i =4
(Crack area :0.80mm2)(Number of deleted elements:
2000�

－ 80 －

Phase i =9
(Crack area :1.81mm2)(Number of deleted elements:
4500�

(Number of deleted elements:
2178�

(Number of deleted elements: 549)

Fig. 19 Crack propagation on solder layer (Von Mises stress counter maps).
Model 1
(Solder mesh size:
50 �m × 50 �m)

Model 2
(Solder mesh size:
100 �m × 100 �m)

Model 3
(Solder mesh size:
200 �m × 200 �m)(Number of deleted elements:
1000�

(Number of deleted elements: 484�

(Number of deleted elements: 122)

(Number of deleted elements:
2000�

(Number of deleted elements: 968�

(Number of deleted elements:
4500��

(Number of deleted elements:
2178�

Phase i=2
(Crack area :0.40mm2)

Phase i =4
(Crack area :0.80mm2)(Number of deleted elements: 244)

Phase i =9
(Crack area :1.81mm2)(Number of deleted elements: 549)

Fig. 20 Crack propagation on solder layer (plastic strain counter maps).

－ 81 －

－ 82 －

����������������������
�����������������������
���� ���
�
�
��

�����

�������������������������� ��������������������������

��������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

�����[2]���������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

������ �m �������������������

���������������������������

����������������

������������SiC �������������

������������������ Ni ������

�������SiC �������� 300��������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

����������������[1]�������� Si

��������� Cu ����������������

���������������������������

���������������

��� 150�������150�������������
����������������������������� ������

���������������������������

������ ����������

������ Al �����Ag ����� SiC ������� �������� Ag ���������� Ni ��������������������Ag ����������

���������������������������

� Al ��� Ni ���� Ag ��������������

���������������������������
��������������������� Ni �������� �m �����������
��������� Al �������������Ag ��������������

������������������� Fig.1 �����

��������������������������

��Ni ����������������� Ag �����

����������������� Ni ��������

���������������������������

�������3 ���������������Fig.2 ����������������������������

��������������������������

�������������������������������
������
������������������
��������������� ����
���������� ������� ��������

������� ��������������������������������������������������������

������ ����������������������������������������� ��������

�������������������������

�������������������������������������������������

� 3 ������������������������

���������������������������

������������3 ��������������

���������������������������

������������������������3 �����������������������������

�����������������������

－ 83 －

���������������������� 30mm�

������������������� ������

� 6mm��� 0.5mm ����������������
���� Instron �������������������
���������������������������

��������������������������������
�������������
5 ��������������� 63GPa ������
��±15% �������3 ��������������

�����

�� 60GPa� ������� 5%� ������������
3 ��������������������������
�����������������������������������������������

������ �������������

�

���Ni ���������������� 4 ���������� ���� ��� ������������������������������

��������� Ni ���� S-N ������ Ni �� 5�m � Ni ���������������������

S-N ������� Fig.5 ����Ni ����������

������������ Instron �����������

��� Ni ���������������

����������������� Fig.3 ������������������������������
����

�

�
������
���������������������������

r=1 mm r =1 mm
Specimenr =1 mm r =1 mm

y
x

2 mm

�

���������
������������
������

������

������ �� ������ �������������������������������
������
�������

�

��� 25 ���������������������
���������������������������

������

�������
������������

���������������������������������������������������

���������������������������� ����������������������������4 �����������������������������

Fig.6 �����������������������

���������������������������

��������������Ni �����������

�������������������� 100�����

��������������������������

����� 5 �������� 500�m ���������

��������������Fig.7 ����������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

����������� Ni ���������������

��������������������������

���������������������������

���������������������������

��������������������������

��������� Fig.4 ���������������

�������������������

���������������������(FEA)���
���������������������������
������� Ni ������������������
���������������������������
���������������������������
�������������
�－ 84 －

15 mm

r=1 mm r=1 mm

r=1 mm2 mm

������� �����������������������������������

�

�

����

������������������������������������������������������� �������������

Fig.10 ����������������������

�������������

���

�

•
•

620�m
2000 cycles

20 mm

2 mm

�
�����������������������������������������������������������

����������������������������

��������������������������������������������������

��������

����������������������

��������������������������

�

����

�� �������������

�������������������������
(FEA)������������������������

���������������������Cu ����������������������� Cu �����

����������� Cui ���� Ni ��������

��������������

�������������Fig.11 �����������

����������������3 ���������

���������������������������

��������������

���������������������������
����������� �p ���������1 �����

���� Fig.8 ����3 ������������ Fig.9
��������� Instron ��������������

������������p ��������������

���,������������������������

������������ Fig.12 ���������������������� 1��������

����������������������������
��������
� �
Cu

Path

Ni

15��

�
������ �����������������������
�������������������������������������������

－ 85 －

����������������������������

��������

�����������������������

��������

�� FEA �����������Cu �����
������������������������

2��p��������
��������

�����������������������

��������

�������������

��������� ��������������������������

��������

���������������������������

��������
�

�

�

�
����

�

�

�

�����������������������

������������������������������������������������������������

������

��������

������ ���� ��� ���

Fig.13 ������� Cu ������������ S-N������Cu �������������������
������������Fig.10 ������������
�����������������Cu ��������
���������������������������
��Cu �����������������������

1. � Iwasaki, et al. “Thermal Problem of Next
Generation
Semiconductor
Power
Devices”,
Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, vol. 2003, No. 6, pp. 251-252, 2003.
2.� ���� :� “������������������
�������”,� MES2009 ����� pp.233-236��
2009.

����������������������������
���������������������������
�������������� Cu �����������
���������������������������
��������������������������
��������

����������������������������

��������
������������
���������

�������

�������

�������
�������

�������
������������������������

�������

������������������������������������������������������������

��������������� ���������� ����������������
���������������������������
����������������������������
���� ����������������������
������������ Ni ���������
�����������������������
����� 5���� Ni ������������
�����������������������
������������
���� ��������������������� 3－ 86 －

����������������������������
�������������� � ���������� ������ �� �� ���� �� ��������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������� ������������� ���� �����
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
��������������� ���������������������������������������
��������������������������������� ����� �������
���������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������
���������������� �����������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������������������������
������������������������� �����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������
�� ���� �������
������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������������� �� ���� �� ����������������
���������������� ����������������������������������������
���������������� �� ���� �� ���������������
������������������������������������������������������
������ �� ���� �� ���������������
����������
��������������������������������������������
���������������������������� �� ������������������������
������������������������������������������������������

－ 87 －

�����������������������������
���� ������ ���� ������������������������
�������������������������������������� �����������������
���������������������������� �� ������������������������
������������������������ �� ����������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���� ������� ������� ������� ����������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������� ���������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������
�� ���� ������������
������������������������������������� �������� �����������
�������������������������������������������� �� ��������
���������������������������� �� ������������������
�� ���� ���������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������� ���� ��������������������
���������������������������������� ���� ����������������������� ���� ���������������������
�������������������������������
������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������
������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
����������������������������������������� ������������ ���� ������������������������������
������������������������������������������ ����� ��������
������������������������������ ������������� �������� ���������
������������������������������������������������������
��������������������������� ������������������������ �����������
�����������������������������

－ 88 －

������������������������������������������������ �������� ������ � �� �������������������������������������������������
������������� �� ���������������������������������������
���������������� ���������������������������������������
�����������
�������������������������������������������������� �����
������������������������������������������������������� ��������������� �������������������������������������������
������������������������������������������������������
�������������������������������������� ������������������������
��������������������������������������������������� �� �����������������������������������������������
�� ���� ���������������
�������� ������������������ �������� ��������� �� � �� ������������
����������������������������� ���� �������� ����������� ���� �������� �����
������������������������� �����������������������������
��������������������� �� ������������������������� � � �����
����������������������
�� ���� ������������������������
������������������������������������������������ ���� ������������������������������������� ���� ����������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
��������
�� ���� ���������������������� ������ ����������������������������������
�����������������������������������������������������
��������� ����������������������������������������������
����������� �������������������������������������������
�����������������������������������������������������
������������������������

�� ������ ���������������������������������
��������������� � �������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���� ������������������������ ��������������� ������������ ��� �����������
����������������������������������� �������� ��������������
������������������������������������������������������
������������������������������������

�� ������ �����������������������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������

－ 89 －

������������������������������������������������������
����������������
���� ������
�����������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
�����������������������������������������������
��������������������������
����������������
��������������������
��������������������������
��������������������
�����������������������
��������������������
��������������������������
��������������������
�������������������������������� ����������������������
����������������������������������������������������
������������������������������������������
�－ 90 －

�
�

�
�

�

�������

��������

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�

�
�

�������� ������ �����

�
�

P.100

���� �������

－ 91 －

�
�

�
�
�

�����
�

���� ��� ����
Ag ��

Ag ��

�����

�
�
���� ���� ����

�

�
Ag ��

Ag ���

Ag ���

Ag ���

Ni ���

Ni ���

Ni ���

�

�

�

�

�

�

�

�

���� ���

���� �����

����� ��

���

P.104 ���� ������

－ 92 －

�
�

�
�
�

�����

���� ��� ����

�

�

Si

�����

�
�
���� ���� ����
�

Si

Si
Ni
Ag

Ni
Ag

Ni
Ag

Ag ��

Ag ��

Ag ��

�

�

�

�

�

�

�

�

���� ������

���� �����

���� ��

���

P.103 ���� �������

�－ 93 －

�

P.113 �15 �����300��300�������������
�������������EPMA������

P.110 �10 �9������������������

P.130

�18

�����������������

P.131

P.115 �2� ��������������SEM������
EPMA��������������

－ 94 －

�19 ���������
��3��������������

��������������
�������������� ����������������������������
����������������� ���������������� �����
���� ���� ������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������� ������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������� ���� ���������������
��������������������������
��������������������������
�������������������
����� ������������
������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������� �������������������������
��������������������������
��������������������������
������������
�
����
�
�
�
Ag
�
�
�
�

��� �����������

�
�
�
�
���
�
���
�
�
�����
�
�
�
��������������������������������������� �����������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
��������������� ���������������
���

－ 95 －

��� ������
���� ��������

�
�
�
�
�
�
�

�������������������������
��������������������������
���������������������
������� ��������������� �������������������������
���������� ���������� ������������
���������������� ���������� �����
��������������������������
��������������������������
����������������������������
���������������������������
����������������������
���������������������������
���������������������������
��������������������� ������
��������������������������
��������� �������������������� ��������������������������
��������������������������
���������������������������
�������������������������
������� �������������������
���������������������� ������
����������� ������������
�

�

100

200

100

200

�
�
DTA
�
�
�
�
TG
�
�
�
300
400
500
600
�
��� [�]
�

100

200

�
�
�
�
�
�
�
�
DTA
�
�
�
TG
�
�
�
300
400
500
600
�
��� [�]��

700

��� �����������������

100

700

��� ���������������������

700

��� ����������������

������ �����������
�������������������������
������������������ �� �� �� ������������� ��� ��������������
������������� �������� ��������
������
�����
�
�
�
�

�DTA
�
TG
�
�
�
300
400
500
600
�
��� [�]
�

�

�
�

200

�
�
�
�
�
�
�
DTA
�
�
�
�
TG
�
�
�
300
400
500
600
�
��� [�]���� ������������������

��

－ 96 －

�

700

�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �
������ �����
��������������������������
����������� ��� ���� ���� �������
���������������������������
������������������� ������������
��� ������ ��������������������
���������������������������
�������������� ����������������
����������������������������
��� �������� ��������� ����������
������ ���������������������
����������������������������
���������������������������
����������� �����������������
���������������������������
��������������������� ������ �������� ���� ��������������������
���������������������������
�� ���������������������� �����
��������������� � ���������� �������������������� �� ��������
������������������
��������� �������
������������������ ���� �������
���������������������������
��� ���������� ������������������
������������������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
��� ���������

������
�������������������������
������������������������ �����������������������������
���������������������� ���� ���������������������������
������� ���������������������
������� ���� ����������������
��������������������������
����������

����������
��������

��������������

��������� 300��

�����

����
��

���
�������� 300��

��������������� ��������

������ ����������������������
��������������������������
����������������� ���� ������
��������� ���� �����������������
���������������������� �����������������������
��������������������������

－ 97 －

�����������

�����������

�����������

�����������

���������������

��

��

�
�
�
�
�
�
�������
�����������
���������������
�
�� �
�
�
�
�
�
�
�
�
��
�
�
��
���������
������������
��������������
��
�
��
��
�
��
�
��
�
�
��
�
���
��
�
���
��
�
�
���
��
��
��
��� ���
�����������
����� ���������������
������������������
�����������
���������������
�� �
�
�
�
�
�
�
�
�
��
�
�
��
���������
�������������
�������������
��
�
��
��
�
��
�
�
��
�
�
��
���
��
�
���
��
��
��
��
��� �������������������
����� ��������������� �����
�
�
�
�
�
������������
�������
����������
�� ��
�
�
�
�
�
�
�
��
�
�
��
���������
�������������
�������������
��
�
��
��
�
��
�
�
��
�
�
��
���
��
�
���
��
�
�
���
��
��
��� ���
�������������
����� ��������������� ������
�����������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�����������������������������
��������������������������
�������������������������
���������������������������� �������������������������
�������������������������
��������������������������
�����������������������������������
���������
����������
�� �
�
�
�
�
�
�
�
�
��
������������
����������������
��������������
���������������
����������������
��
��
�
��
�
�
��
�
�
��
���
��
�
���
��
��
��
��
��� �������������������
���� �������������������
�
�
�
�
�
�
�������
���������
����������
�� �
�
�
�
�
�
�
�
�
��
�
�
��
������������
��������������
��������������
��
�
��
��
�
��
�
�
��
�
��
�
���
��
�
���
��
�
�
���
��
��
��
��� ���
�����������
����� ������������������
�
�
�
�

�
�
�

－ 98 －

���������

�������� ������ �����
��������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�� ������ �����
��������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�� ������ �����
���������� ������ �����
����������

�
�
�
�
�

���� ������������

－ 99 －

�
�
�
�
�

�

�

�

�������

��������

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�������� ������ �����

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�

���� ��������

－ 100 －

��������� ��������

���� ����������

�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
������������������
������������ ���� �� ����������
���������� ���� �� ����������� ���������� ���� ����������������
��������� ���� ��������������
����������������� ���� � ���� ����������������������������
�������������� ���� ���������
��������������������������
�������������������������
������������������� ���� ������������������������������
����������������������������� ���� ��������������������
�������������������������

�������������������������
��������������������������
�������������������������
���� �����������������������
��������������������������
�������������������
�

���
�

������ ����������������������������
��������������������
������������ ���������������
�������������������� �������� ���� ��������������������
���������������������������� ���� �������������������
���������������������������������
������������������������
���������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
����
�
���� ����������
������� �����������������������������
������ ���������� ����������������
��������������������������
���������������������� ���� ������������
������� �����
������������� ���� ���� ���� ����������������������������
�����������������������
�������������� ������ �������������
���������������������������
����������� �� �������������
������������������������ ��������� ��������������� �������
�������������������������
���������������������������
��������������������������
���������������������� ������
���������� ���� ���������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������
������� ������
���������������������� �������
�������������������������������
�������� ������������������������������ ������������������������
�������������������������
��������������������� �� �����������������������������
�������������������������
��������� �� ���������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
���
�
�
�

－ 101 －

�
�
���
�
���
�
���
�
�����
�
��
�
�
�
���
� �����
�
����
����
�����
�����
��������
������ ������������������

������

��������

�
�
�
�����
�
�
�
����� ��������������

���
���
���
��
�
���
�

����

�
�
����
� �����
��������
�

�����

�����

���� ���������������

�������� �������
����������������� ���� �������
���������������������������� ���������� ������������������
�����������������������������
���������������������������
��������������������������� ���� ����������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������
������� ��������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
������������������
����������������������������
����������������������������� ������������������� �����������
���� ��� ��������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������

�������������������������
��������������� ����� ��� �����
��������������������������
������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
������������������ ���������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
���������� �����������������������
�������������������������
���������������������� ���� ���������������������������
������� ���� ����������������
��������������������������
��������������������������
����������� ��� �������������
��������������������������
���������������� �����������
���������������������������
�������������������������
��������������������������
������������������������������ ����� ��������������������
��������������������������
��������������������������
����������� ���� ������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
�������������������������
������������� ����� ������ �����
��������������������������
��������������������������
�����������
�－ 102 －

Si

Ag

Ni
Al

Si

Ag

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �� �����
���� �� ���
�
�
�
�
�
�
�

�
�
�
�
�
Ag
�
�
�
Ni
�
�
Al
�
�
���� �� ��� �� �������� ������
�
�
Si
�
�
�
�
Ag
�

Si

�
�
Ni
�
�
Al
�
���� �� ��� ��� ���� ��� ���
�
�
Si
�
�
�
Ag
�
�
�
Ni
�
�
�
Al
�
���� �� ��� �� ����� ���� ���
�
�
Si
�
�
��
�
�
Ag
�
�
�
Ni
�
�
Al
�
�
���� �� ��� �� �������� ������
�

�
�
Ni
�
�
Al
�
�
���� �� ��� �� ��������� ������
�
�
Si
�
�
�
�
Ag
�
�
�
Ni
�
�
Al
�
���� �� ��� �� ��������� ������
�
�
�
Si
�
�
�
�
Ag
�
�
�
Ni
�
�
Al
�
�
���� �� ��� �� ������
���� ������
�－ 103 －

�
�

�����
�

���� ��� ����
Ag ��

Ag ��

�����

�
���� ���� ����

�

�
Ag ��

Ag ���

Ag ���

Ag ���

Ni ���

Ni ���

Ni ���

�

�

�

�

�

�

�

�

���� ���

���� �����

����� ���������� �������

－ 104 －

�
�
�

�
�

�����

���� ��� ����

�

�

Si

�����

�
���� ���� ����
�

Si

Si
Ni
Ag

Ni
Ag

Ni
Ag

Ag ��

Ag ��

Ag ��

�

�

�

�

�

�

�

�

���� ������

���� �����

���� ���������� ��������

����－ 105 －

������ ����������������������������
���� �����������������������
��������������������������
����������������������
������������������ ��������
����������� ���� ����������������
������� ���� ������������������������� ����������������������
���������������� �� ���������
�������
����������� �� �������������
������������
�������������������������
����������
���� ����������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������

�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�����������
�������������� ������������
����������������������� ����������������������������
���������������������������
��������������������������
����������������������������
����������
����������������������������
������������� ��� ����������
�������� �����������������������
������ ����������������������
��������������������������
����������������������������� �����������������������
����������������������������
�������������������������
������������� ����������������
���������������������������
������ � ���������������������
�

－ 106 －

������������������������
������������������������������������������������
������������ �������� ����� �������������������� �����

�������

��������������������� ��� ������ �����

���������������������������

�������� � ���� �� �����������

��������������������������

���� ����� ��� �������� �������������

���������������������������

�������������� ��������������

��������������������������

����������������� ����� ���������� ������������������������������

������� ��� ��� ��� �������������

��������������������������

���������������������������

���� ������

���������������������������

�������������� ��� ����������������� � ��� ���������������������

����� ��� ������������������������

��������������������������

�����������������������������

���������������������������

�����������������������������

������������� ����������������

������������������������������

���� ���� ��������������������

���������������������������

������������ ����������������

�����������������������������

�����������������������������

����������������������������

���������������������������

������������������������������� �������������
���

�����

�����

�����������������������������

�����������������������������

��������� ����

��������������������������
��������������������������

����

����

����

���

�������������

�������������������

�����������������

�������������������������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������
�������������������������
������������������������������
���������������������������
���������������

�
�
�
�
�
�
�
�

－ 107 －

� �� �������������������

����������������������������

���� �������

������������������������������

��������������������������

����������������������������

����������������������������

��������������������������������

��������������������������

������������������������������ �������������������������

����������� � ����������������

���������������������������

����������������������������

�������������������� � ����������

��������������������������

���������������������������

����������������������������

�����������������������������

��������� ��� �����������������

���� ��������������������������� ��������������������������� �����

����������������������������

���� �����������������������

������������������� ����������

������� ���� �������������������

���� ������� �������������������������

������������������������������

�������������� ��������������
������������������ �����������
�����������������������������
��������������������������
���������������������������

������������������������������
�����������������������������
������������������� ������ �������������������������������
���������������������������
���������

������ ������� ���������������
���������������� � �����������
����� ����� �������������������
������������������� ������������� �� ��������� ������������������
����������������������������
����������������������������
������������������������������
�������������������������

����� ��������
������������ ��������������
��������������������������
�������������� �������� �������������� ���� ���������������������
�������������

����� ��������
�������������������������
���������������������������������
�����������������������
��������������� �����������������
�����������������

����� ���������
�������������� ��� ����������
����������������������� �����������
������������������������������� ��������������

������ �� �������� �����������

－ 108 －

���������������������������������������������������

��������������������������

�������������������������� �� ��� �� �������������������������������

�����������������������������

������������������������������� ����������������� �������� � �� ���������������� ��������������

����������������������������

���������������������������

�������������������������������

����������������������� �����

���������������������������

���������������������������

��������������������� �� �������� ���������������������������

���������������������������

�����������������������������

�����������������������

������������������������ ���������������
���� �������� ��������������������������
��������������������������� ���������������������������
����������������������������
��������������������������
���������������������������
����������������������� ������

Thickness[�m]���� ���������� ���������������

160
140
120
100
80
60
40
20
0

���������������� ��� ���������
���������������������������
���������������������������
���������������������������
����������������������������
���������������������������

����

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Sample No.

��� �������� � ������������

����� ��������������������������

���� ����������������������������� ��������������������������
��������

－ 109 －

����������������������������� �� ������������������ �����

��������������������������
����������������
������������������������� �������������������������������
������������ ������������������

������������������������������

���
�����
��
��
��
��
��
��

��������
���������� ������
���
���
���
��
�����
�����
�����
�����
�
�����
�����
�����
��
��
�����
�����
�����
�
�����
�����
�����
���

��� ��������������������������
������������������������������
���������������������������
���������������������������
��������������������� �������
��������������������������
���������������������������
������������� ���������������
����������������������������
��������������������������
������������������� ��� ��� ����� ��� ��� ����������������������

�� �� ������������������������� ��������� ������������ ��������� �� ���

7
Thickness [�m]

6
5
4
3
2
1
0

1

3

5

7

9 11 13 15 17 19
Sample No.

��� ����������������������
�����������

����� � � �������������������

������ ��� ��� ������������������� ��� ��� ���������������������
������������������������������ ��������������������������

�������������� ������ ���������

－ 110 －

���� �����������������������

���

�����

����

��������
���� � ���������� ������ ������
���
���
��
�����
�����
��
�
�����
��
�����
�����
��
�����
�����
��
�
���
��
�����
�����

�
�
�
�
�
�

��� � ��������������� ��� �������

�� ��������� �� ���������� ��� �������������������������������

��������������������������

����������������������������

���������������������������

����� ������������������������ ������������������������
����������������������������
��������������������������

����������������������������

����� ������

���������������������������

���������������������������

����������������������������

������������� ����� � ���������

������� ���������������������

����������� ������������������

����� �����������������������

������������� ��������������

�����������������������������

�����������������������������

���������������������������

����������������������������

���������������������������

��������� ����� � �������������

����������������������������

���������� ������������������

����������������������������

������������������������������

������������ ������������������ �������������������������

���������������������������

����������������������� �������

��������������������������

������������� ����������������

���������������������������

������� ��� �������������������

���������

����������������������������

��������������������������

���������������������������

���������������������������

���������������������������

����������������������������

���������������������������

���������������������������

����������

��������������������������
����������������������������
����������������������������
���������������������������
���������������������� ��� ������� �������
������ ��������
���������������������������
��������������������������
����������������������������

����－ 111 －

��� �������������������
��������� ���� ����

���� �������

���

�����

�����

�����

������

�����

�����

���

������

����

�����

����

������

������

������������������

�

�

�
�
���� ������������������������������
�������������������
���������� ��� ���������� �����������
����� ��������������� � ��������������������������������

��������������������������������������

���������������������������

�������������������������������

��� ��� �����������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������

������������������� � ����������

����������� ��������������������

��� ��������������������������

����������������������� �����

���������������� ����������������

��� ��� �����������������������

�������� ��������������� ������������

���� ���������������������������

����������������������������

������������ ��� �����������

����� ���������������� ��� �����������������������������

������� ������������ � ������������� ��� ����������� � ����������
����������������������������

－ 112 －

���������������������������

���������������������������

���������������������

����������������������������

�������������������������

���������������������������

������������ �������� �����������

��������������������������� ��� ������������ ������� �������

���������������������������

���������� ��� ��������������

����������������������������

���������������������������

��������������������������

����������������� �� ��������

����������������� ������������

������������������� ����������� � � � � � � � � � � � � � � � �����������

����������������� ���� �������

����������� ���������������������������� ��������������� ������� ���������

�������� ����������� ������� �������

����������� �����������������

����������������������

������ �� �������������������

����� ������������������������

������ ������������

���������� ���� �����������������

����� �����������������������

��������������������������

���������������������������

�������������������� ��� �����

������ �������� ������������ ������

��������������

����� �����������������������������
���������� ���� ������
������ ���������������������� ��� ��� ��� ���������������������������

－ 113 －

��������������������������

��������������������������

���� �������������� �����������

�������������������������

��������������������������

���� �����������������������

�����������������������������

���� ������������������������

���������������������������

����������������������������

����� ��������������������������

��������������������������

����������������������������

���� ��������� ���������������

��������������������������

������

���������������������������

��������������������������� ��������������������������

�������������������������������

��������������������������

����������������������������

������� �������� ����� ���������

���������������������������

����������������������������

������ ������������������������
��������������������������
���������������������������� ��������������������������
�����������������������������
������������ �� �������������
���������������������� ��������
���������������������������
����������������������������
��������������������������
������������������������������ ����� ����������������������
�������
������������������� ��������

���� ��������������

��������������������������
���������������������������
��������������������������
���������������������������
���������������������������
����������������� �������������
��������������������������
���������������������������
����������������������������
������������������� ����� ������������������������������
���� �������������������������

��������������������������

���������������������������������
��������������
�������������������������

－ 114 －

���� ������������������ ������������������� ������������ ��� ����� �� ��������� ������� � ��������������������� ��� �������������� ���� �������� ��� �������������� ��� ��������������
���������������������������
��������������������������
���������������������������
������������������������� ���� �����������������������������
��������������������������
���������������������������
���������������������������� ��� �������������� ��� ������ ���� �����������������

��������������

－ 115 －

��� �������� ���� ���������������

������ ������������� ���� ����������������������� �������������������������

����������������������������

����������������������������

���������������������������

���������������������������

������������������������

������������������������

����������������������������������

������ ���������

������������ �������������������� ���������������������������

���������������������������� � �� �� � ��� � �� � � � ��� � � ��������������������������������

���������� � ������� �������������� �������� ������ ����������� ��� �������������������������������

���������������������������

����������������������������

������������

��������������������������
���������������������������

������������

����������� ������������������� ��������������������������

���������������� ������������

����������������������������

���������������������������

����������������������������

���������������������������

����������������������������

���������������

����� ���������� ���� ������������ ������������������-50�300����� ����������� ������� ��������������

��������� 300 �����������������

���������������������������

���������������� 15MPa ��������

���������������������������

����������������������� SEM ����������������������������

������EPMA �����������SEM �����

���������������������������

���������������������������

����������� �� ���������������

��������� AlN �����������������

���������������������������EPMA ����� �������� ��������������

���������������������������

������������� ����������������

������������������� ��� ���������������������

������ ����� �������������������

�������

����������������������������� � ��� ��� ������������� ��� ��� ������ ��� ��� ����� �����

�������������� ����� ����������

������������� ��� ������������ ��������� ���� ��������������

���������������������������

�����������������������������

�������������� �� ���������� ������ ��� ��������� �� ��������� ��� ����� ������������ ����������

���������������������������

����������������������������������

���������������������������

�����������������������������������������������������������

���������������������������

������������������������������������������������������� �����������������������������

���������������������������������������������������������������

��������������������������

������������ ����������������� ��� ����������� ����� ��� �������� ��� �������� ��� �����������

－ 116 －

��������������������������������������

���������������������������������������������� ���������������������������� �������������������������

��������������������������������������������

������������������������������������ ������������������������
�������������������������������������������� ��������������������������

�－ 117 －

－ 118 －��������������������
������������� ������������������������������� �����

�����������������������(�)������������������������

������������

�������������SiC ����������

������������������������

�������������������������

��������� �� ��������������

�������������������������

�������������������������

��������������������

�������������������

������������������������
���������������������������� �����
�����������

�������������������������

��������������

������������������������

����������������������

������������������300����������

���������������

����������������������������

��������������������

������

������������

�����������������������������
�������������������������

����� ���

�������������������������

��������� ���������������

�������������������������

��������������������������

�������������������������

�������������������������

����������

������� ������� ��������������

������������������������

������������������������

�������������������������

����������������������

�������������������������� ������������������������

������������������������

������
��������������������

���������������������������

����������������������������� �����

����������������������

���� ������ ��������������������� ����������������������������� �� ������ ���� ��� ������������

�������������������������

�������������������������

�����Si/Ti/Ni/Ag�Si/Ti/Au�Si/Ti/Pt/Au ��

�����Si/Ti/Pt/Ag�������

������� Si/Ti/Au �� Si/Ti/Pt/Au �������� ������
���� ����������� �����

－ 119 －

Si/Ti(50nm)/Ni(300nm)/Ag(300nm)�������

����������������������������

��������������������������

��������������������

������ ���� ��� ���������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

�

��

�����

�

��������������������������

��������������������������

�������������������

����������� ��������������� ������
��

����

�

�������������������������

�������������������������

��������� ��� ��� ������������

�������������������������

����������������������������

��������������������������

�������������� ������� ��������

��������������

��������������������

������������������������
������������������������

�
�
����

�������������������������
������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

����� Si/Ti/Ni/Ag ���������������

�������������

������ �������� �� ����������� �����

�Si/Ti(50nm)/Au(200nm)�� Si/Ti(50nm)/Pt(50nm)

�/Au(200nm)�������������������

����������������������������� �������������� �����������

������������������������

������ �������� ��� ��������

－ 120 －

�������������������Si/Ti/Pt/Au����������
������ �������������������

�������������������������

�������������������������

������ ����� ����������������

����������

�������������������������

��������������������������
��������������

�� ��������Si/Ti/Pt/Au ����������

���������������� ��� ���������

������������������Si/Ti/Ni/Ag ����������������������������

��������������������������

����������

������� ����������� �����
Si/Ti(50nm)/Pt(300nm)/Ag(300nm) �������

������������������������������

��������������������������

��������������������

������� �������������������

��������������������������

����������������������������� ����������������� ������������������������������ � � ������ ��� ��������

������������������������

�������������������������� ���������������������������

��������������������������

��������������������������

��������������������������

�Si/Ti/Pt/Ag ���������������������

����� ��� ������������������

����������� ���������� ��� �������� ��� ��������

Si/Ti/Ni/Ag�Si/Ti/Au�Si/Ti/Pt/Au �� Si/Ti/Pt/Ag������Si/Ti/Au ���������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

�����������������

－ 121 －� �����Si/Ti/Pt/Au �������������

����������������� ��� ������������

�����Si/Ti/Pt/Ag �����������������

��������� ��� ��������������

�����������

�������������������������

��������������������������

������������������������

�� ������������������������

��������������������������

��������������������������

�������������������������

�������
����

�

�

���

�

� ������������������������

�����������������(�)�������

����������������������

�

�

�

�����

�

��������������������������
������������������������������� ����������������� ���� � � ������ ��� ��������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 122 －

�������������������������
�������������� � ����������
�������������� � ��� ����� ������� ������ �� �����������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
������� �������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
�����������������������������������������
������������������������� ���� ����������������������������
���������������
���� ������
���� �������
������������ � �����������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������� � �������������������� � �����
������������������������

����������������� ���������� � �����
�������������
�����������
�
�
�����
�
�
� ���������������
��������
������
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��������������
��������
������������������������ �� ����������� �� ����������
������������������������������
�������� � �����������������
�

�
�
�

���� ��������
����������������� ���� �����
����������������������� � ����������������������������
������������ ���� �����������
����������������������� � �������������������� ����������
�������������������������

��������� ����

������������ �� ������

�－ 123 －

��������������� �� �����������

�

����

������

����

��

��

����

��

��

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

� �� �������������������

���� ������ �� �� �����������������

����� ���� ������� ���� � ��� ��� ������������
�����������������������������������
��������������������������
���������� ����������������������
����������������������� � ���� ��������������������������
��������������������������
��������������������������
������ ���� �����
��������������������������
���� ��� � ����� � ������� ����� ����������������������������
��������������������������
���� ���� �������������������
�������������� � ����� ����� ���������������������������
������������������� ������ ������������������
���� � ����� � ����� � ���������
�������� ���� ������������ ����� ������������������������
��������������������������
��������� � ������������������� � ��������������������� ������������������������������ � ��������� �� �����������
�������������������������
��������������������������
������������ ���������������
���������������������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �� ���� ��������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �� ������� ���� �����
��������������
�
�����
�
�
� �� ����������� ���� �����
�
�
�
�
�
�������
�
�
�����
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 124 －

������

������ �� ��������� ��� ���� �����

����� � ��������������������
�������������������������
�������������������������
��������� ������������ ���� ����������������������������� �� ����������������������
�������������
�

�
�
�
�
�
�
�
�

��� �����������

�
�
�
�
�
�
� � ��� ��������� ��� ���� �����
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� � ��� �������������� ���� ������������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������
������������ ����������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
����� ���� ������������������
�������������������������
��������������������������
��������������� ������������
��������������������������
��������������������������
������������ ���� �����������
�����������������
�������������������������
���������� ���� �������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
����������������

�������� � ���������� ������������� �������������� ���� ����������������������������������������������������

�－ 125 －

－ 126 －�������������������������������
�����������������������
�������������� � ������������������������������ �����
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
����������������������������� � ����� �� �������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������
�������������������������
��������� � � �� �������������
��������������������������
�����������������������
���� ������
���� ����������� ����������� ��� ������ ��������������� ����������
���� �������������������
���������������������� ������ ��������� ������ �� �� ����������
���� ����������������������������
���
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ������������������

�������������� �������� ������
����� ����������������������
������������������������

����� � � �� ����������� ������������������������
������������������� � � �� �������������� � � �� �����������
����������������� ��������������
������������ ���� �� ������������
���������������������������� ������� � ����������������
������������ � � �� ����������
������������������������ ����� �����������������������
��������������������������
�������������������������
����������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������� �������
��������������������������
��������������������������
����� � ��������������������
�������������������������
�����������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� � � �� �������
���������������������
�－ 127 －

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ������� � �����
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ������� � � �� �������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ������������ � �����
����� ���������
�����������������������
����������������������������������
������������������������������
����������������������
�����������������������������
�����������������������
�����������������������������
��������������������������

��������������� ������� ���� �������������������������������� ������� �����������
����� �������
�������������� �������� �������������
���������������������������
����� ���������������������
��������������������������
���� ���� ���������������������������
����� �����������������������������
����� ����� ����� ����� ���������
�����������������������
������������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� �������� ����������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ��������������
���������������
����������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ��� ���������������������
�－ 128 －

�������������������������
���������������� ��������������
�������������� ��������� ������
����� ��� ������������������������
��������������������������
��������������������������
�������
������������������������
���������������� ����������
�����������������������������������
������������������������������ �������������������������
�������������� ���� ���������
��������������� ������������ ������������������������������
��������������������������
�������� ���������� ���� ������
������ � ��������������������
��������������������������

�� �������������������������
������������������������������
��������������������������
��������������������������
����������� ���������������
��������������������������
������������������ ���������
����
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

����������������
��

� 2.0mm
4W��������0.2�

200W��������10�

40W��������2�

400W��������20�

��� ������ ������������ � � ����������������������

���� ������ ������������ ���������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�200W
0.5mm

1.5mm

��������2.5�

2.0mm

��������10����� ���� �������� � �����������������������������
�
�

�

1.0mm

���� �����������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ���� ������������

－ 129 －

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�

A

�����77�� ���� ������������������
������ ���������������
������������� ������� ������� ������������������ ������������������������
����������������������
������������ ������� ��������������
��������������������������
��������� ����������� ��� �������
��������������������������
����������������� ����� ������� ����� ������� �����������������
��������������������
��������������������������������������� ��� ����������� ����� � �� ����� � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � �����������������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������ ��������������������� �����������������������������
��������������������������
�������������� ������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������������
����������������������������
��������� ��� ���������������
������������ ��������������
������ ��������������������
��������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������� � ����� ��������������������� ������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
���������������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
���� �������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ���� 40���������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ���� �����������������

－ 130 －

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� ���� ����������
������������������
���� ����������
������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������� ����� ������������� �����������������
������������ ����� �����������

��������������������������
��������������������������
��������� ���� ��������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������
��������
�������������������������������������
�������������������������������

�－ 131 －

－ 132 －������������������������������
������������� � ���������������� ���� �����
���������������

����������������������������� �������
������������

�������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������� ������������
��������������������������
���������� ������� ������������
��������������������������
��������������������������
����������������� ������������ ����������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������
����� �������������������
�������������������������
����������������������������
��������������������������
����������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������
������
���� ������
������������ �������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������������ ��������
��������� ��������������������������
��������������������������
����� � ��������������������
���� � ��������������������

����� ������������������
���� �������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������ � �������
��������������������������
����� � ������������������ ������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 133 －

� �������������

����������������

���� ��������� �������������������������
�������������������������
��������������������������
�������� � �����������������
��������������������������
����������������� �������� ������� ������� �������������������
������������������������ ������������� �������� �������
������� �������������� �����������������
������ ���������������� �������������� ������

���� ���� ������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������
���������������������������
�������������������������
���� ����������� ������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
����������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
���

������������������� ������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������

���������
����� �� �� ���� ����������������
��������������������������
��������������������������������� �� � � �����������������������������
��������������� ���� ������
��������������������������
�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 134 －

��������������������
�������������� ���������������������������� �����
���������������������

����� �����������

�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
������������������������
�������P1�����TA
���TB��A�����PAB� � � � � ��B
���
�
�
� ���
����P2� � �AB��TA�TB��PAB�������������������������
��������������������������
���������������������� � �����������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
����
�

�
�
�
����P1������P
����TA
ALL
�
���TB
� �A
����PAB� � � � � ��B��������P2� ������� � �AB��TA�TB��PALL����������������

��������������������������
���������������������������
����������� ����� �����������
��������������������������
������������� ����� ��������
������ ����������������������
��������������������������
�������� ������
������������� �������������������������
�������������������������
���������������������������
��������������������������
��������������� ����� ��������
����� ������ �����������������
��������� ����� ���� �������� �����
��������������������������

����� ����������

�� �������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������

－ 135 －

��������������

��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
����������������� �������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
��������������������������
����������������������

����� ������������ ������������������������
����������������������������
��������������������������
�������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
�������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�������
�������� ������������
��������������
����������������� ������TH�� ������������
�������P(ALL)�
�������������
� Pt����
��������
�Ag�����
���������
������
������
�� ����������TS���������
������������HS����������
�
�HS�� TH � TS ��P(ALL)�������������������

�������������

�

�

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

����
����
����
������������

�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

�
�

��������������

����

���
���
���
���

���
����
����
����
����
�
�

���

���

���
�������

���

���

���

�����������������

���

－ 136 －