2018 Fiscal Year Research-status Report
液体金属を用いた低温実装できる熱疲労破壊しないはんだ接合部の創成
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18K04272
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| Research Institution | Chukyo University |
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Principal Investigator |
山中 公博 中京大学, 工学部, 教授 (50609229)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田口 博久 中京大学, 工学部, 准教授 (30453830)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 液体金属 / 低温実装 / 接合部 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
はんだ材料に「常温で液体の金属Ga（融点約30℃）」を用い、「低温（50℃以下）実装でき、かつ、熱疲労破壊しないはんだ接合部」を創成することが目的である。主に、「脳コンピュータ等の次世代ロジック半導体」や「車載用等のパワー半導体」の接合技術への応用を視野に入れている。
この研究で解決する課題は、ロジック半導体において「微細化が加速するフリップチップ接合部」やパワー半導体において「高温化が加速する接合部」の本質的な信頼性課題である「熱疲労サイクル寿命」をなくす（長くする）ことである。
本研究では、接合材料として必須であるが、まだ先例がない1．Gaの電気抵抗の温度特性と過冷却特性、2．Gaと電極（Cu、Ni、W）界面の高温保持時の反応挙動、さらに、3．近年問題になっているエレクトロマイグレーション挙動 を明らかにすることを目指す。
平成30年度は、次の成果を得た。 1．Gaの電気導電率特性を、車載用まで考慮した－40℃から200℃の広い範囲で測定し、電気設計に必要な基本データを明らかにした。 2．Gaの過冷却特性を実測し、融点以下の低温でも液体状態を維持できる接合部が実現できる可能性を示した。 3．Gaと電極材料（Cu、Ni、W）の界面挙動について、150℃の高温放置試験を実施し、長期信頼性の決め手になる「界面に形成される金属間化合物」と「電極の溶解」について明らかにした。なお、同時に各電極材料とGaの接合プロセスを確立した。 4． Gaを用いることで、従来通りの固体接合（Cu/Sn/Cu構造）が、低温で形成できる可能性を示した。 5．Ga単体より低抵抗で、かつ、伸縮可能なGa含侵Cuについて、純度99%以上のCuデンドライト構造が形成できる工程を見出した。 なお、1から3は計画項目、4は計画外項目、5は次年度計画の先取りである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度の成果である「Gaの電気導電率特性」、「Gaの過冷却特性」は計画通りである。しかしながら、「Gaと電極材料の界面挙動」は計画した温度3水準に対して、1水準とした。一方、計画外であるが、「固体接合（Cu/Sn/Cu構造）」の低温実装可能性を示すことができた。さらに、次年度計画の先取りとなる「Ga含侵Cu」用のCuの形成工程を見出した。以上より、「(2) おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には原案に示した計画を進める。すなわち、1．Ga-Sn合金（融点約20℃）とGa含侵Cuに対して、「電気導電率特性」、「過冷却特性」、「電極材料の界面挙動」について研究を行う。また、「電流を流した場合に懸念される、Gaと電極材料（Cu、Ni、W）接合部のエレクトロマイグレーション（EM）現象の基本メカニズム」を明らかにする。さらに、電極材料が消失する速度の温度・電流密度依存性を明らかにし、電極厚さ設計の基準を確立する。
さらに原案外であるが、今回見出した「Gaを用いた低温実装可能な固体接合」について、引張強度特性等の研究を進める。
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| Causes of Carryover |
試験装置構築用部品と試験用試料の一部の購入を、平成31年度へ移動したため、支出が少なくなった。平成31年度に、これら購入のため助成金を使用する計画である。
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