2019 Fiscal Year Research-status Report
Damage modeling for joining parts of power module
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18K03863
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| Research Institution | 北九州市環境エレクトロニクス研究所 |
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Principal Investigator |
宮崎 則幸 北九州市環境エレクトロニクス研究所, パワーエレクトロニクス信頼性研究室, 主席研究員 (10166150)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | パワーモジュール / 高信頼性 / 長寿命化 / 損傷モデル / ワイヤボンド部 / 熱疲労寿命 / 非線形ひずみ密度範囲 / 非線形破壊力学パラメータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パワーデバイスは電力制御に用いられ、各種機器の電力低損失化に寄与する省エネのためのキーデバイスである。本研究では、パワーモジュールの高信頼性・ 長寿命化に向けた研究として、Wire-liftoff現象という熱応力負荷によるワイヤボンド部とはんだ接合部の損傷を研究対象とする。
平成31年度(令和元年度)は以下のような研究を実施した。(1)平成30年度に解析を実施した研究結果をIEEE Journal of Emerging and Selected Topics on Power Electronicsに投稿して、同Journalに掲載された。本論文においては、ΔT*(経路独立積分の一種であ る非線形破壊力学パラメータT*の範囲)によって200℃超の高温度域特有な熱疲労現象、すなわち高温度条件では熱疲労寿命が飽和するという現象を表すことができることが示された。(2)インストロン社製のMicro Testerを用いてワイヤボンド用純アルミ線材の引張速度を変化させた引張試験データから同線材の弾塑性構成式と遷移クリープ構成式を同時に求める手法を開発して、室温から250℃までの温度範囲で使用可能な構成式を提示した。本構成式は今後の熱疲労寿命を評価するための有限要素解析に用いる予定である。(3)パワーサイクル試験や熱サイクル試験のワイヤボンド部の疲労寿命を機械的疲労試験よる疲労寿命で代替する目的で、ピエゾアクチュエータ駆動の４点曲げを用いた機械的疲労試験システムを新たに構築して、予備試験を実施した。試験体としてはシリコンチップ上に400μmのアルミワイヤを超音波接合したものを用い、疲労試験を途中で止めて、試験体の断面をSEM観察することのよりアルミワイヤとシリコンチップの界面付近に疲労き裂が進展していることが認められた。来年度に本格的な機械的疲労試験を実施する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は実験研究と解析研究の両者を含む。実験研究については、アルミワイヤの弾塑性構成式と遷移クリープ構成式を温度依存性を含む形で求めることに成功し、今後のWire-liftoff現象の非弾性有限要素解析に用いることができるようになった。また、ワイヤボンド部の疲労寿命を求めるための機械的疲労試験システムの構築とそれを用いた予備試験が完了して、本試験システムで疲労試験が実施できるようになり、次年度に本格的な試験を予定している。このように実験研究は概ね順調である。一方、解析研究ではWire-liftoff現象の損傷モデルに含まれるΔT*(経路独立積分の一種であ る非線形破壊力学パラメータT*の範囲)を、汎用有限要素法解析プログラムによって近似的に求める手法は開発したが、これを厳密な経路積分によって求める解析コードの完成には至っておらず、次年度に持ち越した。
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| Strategy for Future Research Activity |
アルミワイヤの弾塑性特性およびクリープ特性に関する材料試験については、引張速度を変えた引張試験から弾塑性構成式と遷移クリープ構成式を同時に求める手法の開発に成功したが、本試験データの有効性を担保するために死荷重負荷によるクリープ試験を実施する予定である。なお、死荷重試験装置の作製は平成31年度(令和元年度)に着手している。
アルミワイヤボンド部の機械的疲労試験を本格的に実施し、疲労寿命と非弾性ひずみ振幅との関係を表す線図(S-N曲線)を求める。
解析研究ではWire-liftoff現象の損傷モデルに含まれるΔT*(経路独立積分の一種であ る非線形破壊力学パラメータT*の範囲)を、厳密な経路積分によって求める解析コードを完成さる。
上記の研究成果をもとに、以下に示す本研究の目的を達成する。(1)パワーモジュールの寿命評価解析プログラム(設計ツール) に組み込むために、ワイヤボンド部 およびはんだ接合部について、SiC、GaNを用いたパワーデバイスを念頭においた高温使用状態 (200～300°C)における材料非線形性を適切に評価し得る損傷パラメータを実験および解析により検討し、損傷モデルを構築する。(2)上記の損傷モデル構築に際して長時間の実験時間を要する熱疲労試験データが必要になるが、これを短時間で実験可能な変位制御型機械的疲労試験で置換える実験方法を新たに提案する。(3)パワーモジュールの設計ツールを開発する。
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| Causes of Carryover |
実験研究が本格的に開始していないため、試験治具の作成、および試験体の作成にあまり金額を要しなかったことが理由である。次年度は本研究の最終年度であり、実験研究が本格的に実施されるので、試験治具の作成、および試験体の作成に剰余金を充当する予定である。
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Research Products
(8 results)
