マルチレーザ加工技術を用いた先進パワー半導体用ヒートシンクシステムの創成

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04709
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 芹澤 久 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (20294134)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 雄二 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (40422547) ; 中里 直史 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (70714864) ; 岸本 弘立 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (30397533) ; 塚本 雅裕 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (90273713)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: レーザ加工 / 異材接合 / パワー半導体 / ヒートシンク / レーザ肉盛溶接 / 拡散接合

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、次世代のパワー半導体として期待されているシリコンカーバイド（SiC）製パワー半導体の活用に向けて、-40度から300度までの温度変動環境下において、SiC半導体とヒートシンクとの間に、健全性ならびに冷却機能を保持する、新たな接合技術の開発を目的としている。
2021年度は、まず、熱間等方圧加熱法（HIP : Hot Isostatic Pressing）を用いて、SiC基材として市販の厚さ2.0 mmのα-SiC板に、0.025または1.0 mm厚さの純タングステン薄膜を接合する試験を行った。それぞれ、20 x 20 mmのα-SiC板と純タングステン薄膜とを用いて、接合試験を行った結果、純タングステン薄膜の板厚に関係なく、固相拡散接合により健全な接合体が作製可能であることを明らかにした。また、同じ接合条件で50 x 50 mmのα-SiC板と純タングステン薄膜とも、健全に接合可能であることを明らかにした。
次に、複数の青色レーザを熱源とするマルチレーザ加工システムを用いて、作製した20 x 20 mmのα-SiC板と純タングステン薄膜との接合板の純タングステン薄膜表面に、銅の肉盛層を形成させるための試験を行った。具体的には、青色レーザの出力ならびにマルチレーザ加工システムの移動速度を変化させた結果、連続的な銅肉盛層が形成可能となる条件を見出すことに成功した。さらに銅肉盛層を形成させた、α-SiC板と純タングステン薄膜との接合板の組織観察および分析を行った結果、銅肉盛層を形成させるために純タングステン薄膜の表面に青色レーザを照射したが、α-SiC板との接合界面には剥離や破壊が生じないことを確認することができた。加えて、厚さ0.025 mmの純タングステン薄膜を用いて作製した接合板に銅肉盛層を形成した場合には、シリコン原子が銅肉盛層中に拡散する結果も得られた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初計画では、2021年度は、タングステン基材への銅肉盛層生成技術の開発に向けた基礎的検討として基材寸法の影響を評価するとともに、SiC基材へのタングステン薄膜接合技術の開発を行う予定であった。
タングステン基材への銅肉盛層の生成技術については、厚さ2.0 mmのタングステン薄板の側面にマルチレーザ加工システムを用いて銅肉盛層の形成実験を行った結果、部分的に連続的な銅肉盛層の生成に成功した。生成した肉盛層が部分的となった理由について、有限要素法による熱伝導解析を行った結果、マルチレーザ加工システムの移動にともない、タングステン薄板側面部の終端部の温度が急激に上昇し、銅肉盛層が形成されることなく銅が昇華してしまったと考えられる結果を得た。そこで、タングステン薄板の形状を終端部にしたがって厚さが厚くなるVあるいはY型形状に変化させた場合について、熱伝導解析を行った結果、Y型形状の場合に、均一な温度分布で銅肉盛層が形成することが可能と予測される結果を得た。そしてマルチレーザ加工システムを用いて実験を行い、解析結果と同様、連続的な銅肉盛層の形成に成功した。
SiC基材へのタングステン薄膜の接合技術の開発については、熱間等方圧加熱法（HIP : Hot Isostatic Pressing）を用いて、α-SiC板と純タングステン薄膜とを大きさに関係なく（20 x 20 と50 x 50 mmの二種類）、欠陥の無い接合板を作製することが可能であることを明らかにした。さらに2022年度以降に実施する予定であった、タングステン薄膜を接合したSiC基材への銅肉盛層生成試験にも着手し、連続的な銅肉盛層が形成可能であることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

当初計画では2022年度以降に実施する予定であった、タングステン薄膜を接合したSiC基材への銅肉盛層生成試験を2021年度に実施し、レーザ出力ならびにマルチレーザ加工システムの移動速度を変化させて、連続的な銅肉盛層の形成に成功した。しかしながら、最適な銅肉盛層の形成条件の同定には至っていないため、有限要素法を用いた熱伝導解析を行い、当初計画の検討項目であった、タングステン基材の温度制御による連続的な銅肉盛層の形成条件の同定に着手し、様々な大きさのSiC基材とタングステン薄膜との接合板への連続的な銅肉盛層の形成条件の解明を目指す。
また、SiC基材への新たなヒートシンクシステムを構築するためには、連続的な銅肉盛層を並列に形成するとともに、加えて、肉盛層の厚さ方向への形成も必要となる。そのため、連続的な銅肉盛層の三次元的形成プロセスの確立を目指した実験を行うとともに、最適な条件の導出を目指し、有限要素法を用いた熱伝導解析も並行して行う。そして、三次元的な銅肉盛層の形成を目指す。
本研究の最終目標は、SiC製パワー半導体の実現に向けたヒートシンクシステムの開発であるため、三次元的な銅肉盛層の形成に加えて、銅肉盛層への銅製ヒートシンクシステムの拡散接合試験を実施するとともに、温度変動を与えた環境下での接合層の健全性を評価する予定である。加えて、ヒートシンクシステムとしての機能性評価のため、SiC基材への電気負荷による温度上昇環境下での冷却機能の評価も行う予定である。そして、こられのヒートシンクシステムの健全性および冷却機能の発現性を明らかにすることで、SiC製パワー半導体の活用に向けた指針の確立を目指す。