2012 Fiscal Year Research-status Report
ＳｉＣパワーデバイス用高機能樹脂／金属異相界面の創製
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24560396
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
荘司 郁夫 群馬大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00323329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小山 真司 群馬大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70414109)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 樹脂実装 / パワー半導体 / 異相界面 |
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| Research Abstract |
本研究では、電気自動車用パワーデバイスとして期待されるSiCパワー半導体モジュールの高効率・高信頼性化の鍵を握る異相（高分子樹脂/金属）界面を研究対象として、異相界面のマクロ特性出現機構を解明し、高機能相界面を創製することを目的とする。初年度は、高分子樹脂そのものの物性値を調査することを目的とした。ビスフェノールF型エポキシ樹脂を母材とし、添加する硬化剤、充填剤およびカップリング剤を規定した標準樹脂材を作製し、樹脂材の薄板硬化物の機械的特性を調査した。特に、充填剤である二酸化珪素の含有率を変化させて硬化物の機械的特性に及ぼす充填剤添加量の影響について調査した。また、樹脂材の高温環境下における劣化挙動も調査した。引張試験結果より、充填剤の増加に伴い、弾性率は増加し破断伸びは減少する傾向がみられ、充填剤添加の影響が強く表れることを明らかとした。一方、引張強度に及ぼす充填剤添加量の影響は小さく、引張強度は母材樹脂の強度に強く依存することを明らかとした。また、破面観察結果より、高温での引張強度の低下は、母材樹脂と充填剤のカップリング効果の低下に起因する可能性を見い出した。高温時効環境下では、弾性率がわずかに増加し、引張強度および破断伸びが減少する劣化現象が確認された。この劣化現象は、主として樹脂材表面の酸化に起因するものと推測された。粘弾性測定により、薄板硬化物の広範囲なタイムスケールにおける貯蔵弾性率および損失弾性率を算出することに成功した。算出結果より、充填剤添加量の増加に伴い、引張試験の結果と同様に貯蔵弾性率および損失弾性率は増加するが、緩和挙動は母材樹脂に強く依存し、充填剤の影響は少ないことを明らかにした。
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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
ビスフェノールF 型ジグリシジルエーテルおよびビス（4-アミノ-3-エチルフェニル）メタンをそれぞれ母材樹脂および硬化剤とした標準樹脂材を準備した。充填剤として、平均粒径1.98μmの二酸化珪素の球状フィラを添加した。充填剤添加時にはカップリング剤として、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシランを添加した。樹脂材の薄板硬化物の機械的特性に及ぼす充填剤の影響を調査するため、添加量0、9.8、49.9mass%の3種類の樹脂材を作製した。完全硬化させた樹脂材の試験片を用いて、ガラス転位温度（Tg）、引張特性および動的粘弾性を調査した。引張特性については、試験温度（R.T.、80℃、120℃）および時効処理（120℃250h、500h、1000h）の影響についても調査した。
Tgは、充填剤添加量0、29.8、49.9mass%に対し、それぞれ111.9℃、112.7℃、112.9℃となり、添加量の増加に伴いわずかに上昇する傾向が得られたが、大きな変化は認められなかった。
引張試験より、充填剤の添加に伴い弾性率は増加し破断伸びは減少し、それらの物性値に対しては充填剤添加の影響が強く表れた。一方、引張強度に及ぼす充填剤添加の影響は小さく、引張強度は母材樹脂の強度に強く依存した。破面観察結果より、高温での引張強度の低下は、母材樹脂と充填剤のカップリング効果の低下に起因する可能性を見い出した。時効処理により弾性率がわずかに増加し、引張強度および破断伸びが減少する劣化現象が確認され、この劣化は樹脂材の酸化によるものと推測された。
粘弾性測定から、貯蔵弾性率および損失弾性率の広範囲なタイムスケールにおけるマスタカーブを算出することに成功した。充填剤添加量の増加に伴い貯蔵弾性率および損失弾性率は増加するが、緩和挙動は母材樹脂に強く依存し、充填剤の影響は少ないことを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は、本研究における標準樹脂材を作製し、その硬化物特性を調査した。ほぼ計画通りに研究を遂行できたが、樹脂材表面における官能基密度分布調査および高温高湿環境下における劣化挙動調査の成果を出すには至らなかった。それらの課題については、引き続き検討を行う予定である。また、樹脂の硬化過程における機械的物性値出現メカニズムの調査を目的として、剛体振り子型物性試験機を用いた評価を実施する予定である。該当手法は、硬化過程における機械的物性値の変化を相対評価できるものであり、初年度に調査した硬化物の物性値を基準とすることにより、硬化過程における物性値出現メカニズムを解明できるものと期待される。
本年度は、本研究の本来の目的である高機能相界面の創製につなげる基礎的な知見を得ることを目的として、樹脂/銅界面のマクロ特性の調査を実施する。具体的には、SiC半導体と同程度の線膨張係数を有するガラスチップと銅板を初年度に調査した標準樹脂材にて接合して接合体を作製し、次の項目について研究を行う。
(1) せん断試験による界面強度調査、(2) 光弾性法を用いたチップ内の応力分布測定、 (3)樹脂/銅界面の微視的構造調査、(4)界面強度に及ぼす樹脂の硬化条件の影響調査、(5)界面強度に及ぼすカップリング剤の影響調査
以上の研究の遂行により、樹脂/金属界面の界面強度に及ぼす樹脂材の物性値、微視的構造、樹脂材の官能基の働き、カップリング剤の効果を明らかにして、界面強度出現メカニズムを調査する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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