2023 Fiscal Year Annual Research Report
パワー半導体デバイスダイアタッチ接合部の疲労き裂ネットワーク破壊寿命予測法の確立
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21K04182
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
苅谷 義治 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (60354130)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ダイアタッチ / パワーモジュール / 熱疲労 / FEM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，ダイアタッチ接合部のパワーサイクル試験において，疲労き裂がネットワーク状に連結する破壊 (以下，疲労き裂ネットワーク) が報告されている．疲労き裂ネットワークは，ダイアタッチ中の均一な等2軸引張圧縮応力場に，十字状のき裂がランダムに発生を繰り返し，それぞれのき裂が各き裂先端方向に進展することで損傷領域が広がり，形成される破壊形態である．これまで，疲労き裂ネットワーク破壊の形成メカニズムを調査し，それに基づく損傷速度式を提案してきたが，外周部からの水平き裂進展を含むFEM解析を用いた汎用的なパワーサイクル寿命予測構築までには至っていなかった．通常，FEMを利用した熱疲労寿命予測では，特定の応力集中部からき裂が発生すると仮定し，FEMで求めた応力やひずみを寿命則に代入し，単一き裂として寿命を求める．しかし，疲労き裂ネットワーク破壊では，均一な等2軸応力場で，ランダムにき裂発生を繰り返し，平面的に損傷発達しながらジャンクション温度が上昇し製品故障に至るため，応力集中部からの単一き裂による破壊という従来の寿命予測の考え方に従わず，新たな手法が必要である．本年度は，この疲労き裂ネットワーク破壊に対応できる損傷発展型FEMシミュレーションを提案し，ダイアタッチ接合部の疲労破壊の再現を試み，以下の結果を得た．
均一な等2軸応力場でランダムに発生するき裂が正規分布のばらつきに起因すると仮定し，FEMの要素に正規乱数を用いてき裂発生の抵抗を設定してき裂発生サイクルを計算し，さらに，疲労き裂進展則によりき裂発生要素の損傷を発展させる汎用FEMコード用プログラムを提案した．本手法により，疲労き裂ネットワーク破壊特有のロジスティック曲線型のき裂発生増加および損傷発展が再現された．本手法のダイアタッチ外周部からのき裂進展型の損傷への適用も確認された．
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