WBGパワーモジュールのための大面積無垢Cu-Cu接合
大阪大学フレキシブル3D実装協働研究所特任准教授

陳伝彤

電力時代の本格化を迎え、省エネルギーに対応したパワー半導体材料として、Siに換わる
SiC,GaNへの展開が急務チップ動作温度は従来の125℃から250℃に増加
WBGパワーモジュール高放熱実装材料と大面積無垢Cu基板の接合構造の設計が必要【本研究の成果と特徴】(1) 新たな銀塩焼結接合技術の開発により、無垢銅基板同士の接合において、これまでを上回る大面積接合（35mm×35mm）を実現(2) Cu-Cu 大 面 積 接 合 の 接 合 構 造 の 接 合 強 度（50MPa以上）はハンダを使用した接合の2倍以上。
(3) 接合構造は250℃の高温環境に500時間放置しても強度低下が落ちず、高温信頼性を維持。
大気中銀塩焼結の表面SEM画像

銀塩の分子構造とSEM画像

100℃焼結【本研究成果の新規性ポイント】

200℃焼結(1) 高熱伝導率(300W / m・K)における銀焼結材の設計ができる
200 nm(2) 銅をめっき処理せずに通常の環境（大気下）におけ400℃焼結300℃焼結る大面積接合が実現できる(3) 銅との接合界面を酸化させず金属結合を達成することができる

100 nm

銀塩の印刷焼結接合プロファイル

大気中Cu基板との接合断面SEM写真

接合構造と破壊後の接合面写真

銅基板
銀塩焼結層
銀塩焼結層
銅基板

10 µm

銅基板
2 µm

接合初期のせん断接合強度と高温250℃放置後の接合強度評価
接合初期

大気中Cu基板との接合界面TEM写真

平均接合強度 :53.8 MPa

Shear strength (MPa)80

大気中高温放置100 h
平均接合強度 :44.8 MPa

大気中高温放置500 h
平均接合強度 :51.4 MPa

70605040302010012345678910 36

Measurement number【研究機関・企業の皆様へのメッセージ】
 トッパン・フォームズ株式会社との共同研究において、銀塩焼結接合技術の開発による無垢銅基板同士の大面積接合実験を実施済み
 共同研究を前提とした試料活用・評価が可能
 パワーデバイス開発が抱える問題・課題解決（大面積結合、通常環境下による接合など）のニーズのある企業様との共同研究を希望

お問い合わせ先
大阪大学産業科学研究所 戦略室
Tel：06-6879-8448
E-mail：air-office@sanken.osaka-u.ac.jp

パワーモジュールの界面熱伝導、電気、亀裂発生検出技術
世界初！パワーデバイス動作中に微小な陳伝彤
クラック発生をリアルタイム音信号で捉える
大阪大学フレキシブル3D実装協働研究所～AEセンシング技術の開発と応用➣SiCパワーモジュールの熱サイクル疲労によりダイアタッチおよび配線接合部分で発生する微小クラックの振動をAE（Acoustic-Emission）の圧電センサで正確かつリアルタイムに読み取ることが実現

AI信号処理へ➣微小クラックによる振動をカウントして積算してゆくことで、パワーデバイス内部のき裂発生、進展から最終的に機械的故障に至る時期の予測が可能➣パワーデバイス全体の熱抵抗と各材料及び各接合界面の熱流、熱抵抗の分析、等との併用により、総合的かつ精密なモジュール評価が可能➣本研究成果によりパワーモジュール動作中に故障する問題を回避することができ、全体として軽量・低コスト化できるだけでなく、電力変換機器の損失を低減することが可能

次世代パワエレ基板の熱特性評価方法に関する国際標準化技術～疑似発熱チップ駆動による実装
基板の放熱・熱衝撃特性の測定方法
シミュレーション熱分析

SiC発熱チップの開発

パワーサイクルによる銀焼結接合、鉛はんだと鉛フリーはんだ接合熱抵抗信頼性の分析
Load-ElectrodeQ250 W∆𝑇+

Power electrode
Thermal grease (TIM)TEG Chip

SiC TEG chip

Load

Die-attachment

DBC
Thermocouple

SiC発熱チップの開発、ダイアタッチ
実装基板との接合、Auワイヤ配線

Thermal Resistance, Rth (K/W)

SiC発熱チップダイアタッチ接合とワイヤ接合
4N gold
Wire interconnect

SiC-TEG chipN-doped 4H SiC
SiC TEG chip

Ag sinter structure
DBC substrate
DBC: direct bonded copper

Cu (DBC) substrate 10 μm

5 mm

DBC

0.70
0.68
0.66
0.64
0.62
0.60
0.58
0.56
0.54
0.52
0.50
Pb-5SnSn-Ag-Sb-Cu
0.48
Sn-Cu-Ni-P
Ag sinter paste
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Power, Q (W)Water Cooler
Water Block 25 ℃

TIM

250 W
5.4 L/min

1.2

Thermal resistance, Rth (K/W)

Thermocouple(TTC )Pb-5Sn1.110.9

Sn-Cu-Ni-P

0.80.7Sn-Ag-Sb-Cu

0.60.5Ag sinter paste
0.405000

10000

15000

20000

本取り組みで評価手段となる測定方法を世界に先駆け国際標準化することにより、多視点かつ実装・実駆動に即した基板のトータル熱特性評価環境の構築に係り、省エネ、安全設計の成果レベルの標準化が期待でき、我が国のパワーエレクトロニクス産業が世界をリードする確固たる位置付けとすることに貢献する。

【研究機関・企業の皆様へのメッセージ】
 研究を今後進めていく上での課題：小型化、高温応用へのAE計測技術と製品開発、AIで信号処理技術
 研究機関へのメッセージ：次世代パワーモジュール実現に必要なき裂検出、熱計測技術の研究機関との共同研究を期待
 企業へのメッセージ：当研究所の設備を活用したデバイス評価と技術開発で製品実用化を支援します 企業への期待：産学連携のモデルケースとなるような共同研究を期待
お問い合わせ先
大阪大学産業科学研究所 戦略室
Tel：06-6879-8448
E-mail：air-office@sanken.osaka-u.ac.jp

25000

Power cycles, nWBGパワーデバイスの未来を支える実装信頼性
陳 伝彤

（実装材料開発)➣180℃放熱特性、低温焼結➣多結晶ミクロンフレーク粒子

溶剤の揮発特性

大阪大学フレキシブル3D実装協働研究所【研究背景】WBGパワー半導体の市場拡大には、その特性を十分に引き出すための、超耐熱実装技術と材料が必要になる。WBGパワーモジュールの大きな課題は、如何に理想的な放熱構造を実現するであるが、現状は、部材の接合部分に熱伝導率が決して高くはないはんだやグリスを使うため、モジュールとして大きな熱抵抗が生じている。今回の研究開発では、すべての界面を高放熱銀焼結接合で実現し、特に表面処理メタライズ不要でDBA基板との直接低温無加圧接合技術で、高放熱のパワーモジュールを開発した。

1µm
結晶粒界からのAgナノ粒子が自己生成し、焼結【阪大（F3D）高放熱SiCパワーモジュールの特徴】
ミクロンサイズ銀粒子でナノ粒子と同等の焼結接合を実現
低温低圧でも大面積のDBA/Alの高放熱直接接合、高い高温信頼性を実現
従来のモジュール構造に比較して1.8倍以上の格段に優れた放熱性能を達成
SiCに同じパワーを投入しても優れた放熱構造から100℃以上の低温化が実現
基板表面にメタライス層が必要なくなるため、 生産コストの大幅な削減が可能

Agナノ粒子(モジュール試作、接合強度評価）

SiCパワー半導体冷却技術のデモンストレーション

DBA, SiC への直接無加圧ダイアタッチ
接合構造

半田・グリスとフル銀焼結パワーモジュール
放熱性能の比較

焼結温度（℃）焼結プロセス

SiC

銀焼結Al

DBA

300
25020018030 min

SiCヒーターチップ

15 min

自然冷却

25

DBA基板

銀焼結接合

焼結時間（min)せん断強度せん断強度試験

アルミ放熱フィン

せん断強度(MPa)

40

荷重
SiC

200℃の無加圧で35MPa以上のせん断強度実現

3020(放熱性能分析）

100

180

200

250300焼結接合温度(℃）

デモンストレーション：同⼀パワー投⼊時の性能⽐較

SiC
Ag sinterAg sinter
Al (DBA) substrate20 µm

Al (DBA) substrate

2 µm

せん断強度(MPa)250℃高温放置信頼性
40353025201510500100500

1000時間(hour)（接合直後）（500時間後）（1000時間後）「250℃⾼温・1000時間放置」後もせん断強度は30MPa以上を維持
⾼い⾼温信頼性を実証【研究機関・企業の皆様へのメッセージ】
 研究を今後進めていく上での課題：接合層の更なる放熱性向上（200W/m・K➡300W/m・K～）
 研究機関へのメッセージ：次世代パワーモジュール実現に必要な新技術の研究機関との共同研究を期待
 企業へのメッセージ：当研究所の設備を活用したデバイス評価と技術開発で製品実用化を支援
 企業への期待：産学連携のモデルケースとなるような共同研究を期待
お問い合わせ先
大阪大学産業科学研究所 戦略室
Tel：06-6879-8448
E-mail：air-office@sanken.osaka-u.ac.jp