2012 Fiscal Year Research-status Report
水素誘起接合法によるパワー半導体モジュール部材間の接合
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24656190
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
村田 卓也 山口大学, 理工学研究科, 助教 (70263796)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 電子デバイス・電子機器 / 材料加工・処理 / 表面・界面物性 / 接合 / 塑性変形 |
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| Research Abstract |
パワー半導体モジュールの基本となる①SiCウェハ－金属電極間と②金属電極－AlNセラミックス間の接合基礎実験を行うとともに、水素吸蔵性に優れるTiを接合材として採用し、接合機構に関する知見を得ることを目的として実験を進め、以下に示す成果を得た。結果の一部は学会報告した。
(1)接合性と接続性において水素チャージの有効性を確認した。すなわち、接合材の水素チャージ条件と接合条件（温度、圧力）を変化して接合体を作製し、接続性や接合性について評価したところ、接合材の水素チャージにより、より低温での異種部材間の接合が可能となり、適当なチャージ条件で水素予添加した金属部材を用いて作製した接合体が、水素チャージ無しの場合と比較して接続性に優れることを見出した。
(2)主には接合材としてTiを用いた実験により、異種部材間接合における水素効果に関する知見を得た。具体的には、金属・合金間の接合界面の微構造の比較と非接触評価及びせん断強度試験、更には破面の表面状態評価と主にはTi部材の昇温ガス脱離（TDS）分析の比較から、水素チャージの有無による接合性の違いは、水素チャージ（吸蔵）と接合条件下でのディスチャージ（放出）に伴うものと思われる、接合材表面の分子吸着性と極表面（ナノスケール）の塑性変形性の違いに起因する元素相互拡散状況変化に依るものと考察した。また、陰極電解の為の適当な通電量の選択が、線膨張係数の異なる両部材間に必然的に発生する熱応力を緩和する接合層形成の為の表面処理として有望であろうことを示唆した。
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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
当初予定では、パワー半導体モジュール構成の根幹となる、AlNセラミックス製放熱基板/Cu製金属電極間の接合性について検討する予定であり、SiCウェハ－金属電極間接合と同条件で金属－AlN接合体を作製したが、耐熱試験は行っていない。これは、大電力を取り扱うパワー半導体モジュールにおける両部材厚を1mmと想定すると、唯一の欠点として靱性に劣るAlNセラミックスにおける熱応力歪の影響を除外することは無理に近いと判断したことに拠る。すなわち、接合性を評価する際に破壊特性が混在してしまうことになる。SiC/金属電極間の接合条件と耐熱性（大気中300℃）は一応確保しているので、AlNと同程度の線膨張係数をもち、強度に優れるSiCで金属電極をサンドイッチする方が、研究目的に対して実質的な意味を持つものと考えている。ただし、全体としては、接合界面微構造の観察と強度比較、更には水素チャージとディスチャージに伴うと思われる金属部材の表面状態変化に着目して、接合に対する水素効果の輪郭を見出しつつあるという点では進んだものと評価している。なお、当初予定通り、有限要素法を用いた熱応力分布の解析に着手したが、実際の接合体に関する知見を得る為には、接合体の力学モデルと計算条件の検討が必要と思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下に示す方針で実験的検討を中心に進める。
(1)本来、線膨張係数の差異に基づく熱応力歪み量は部材体積に依存する為、夫々に1mm厚のAlNセラミックス－Ni鍍金Cu電極間に健全な接合状態と耐熱性を期待することは難しい。ここで、健全な接合状態として、サブミクロンスケール以下の傾斜接合層（力学バネ定数が連続的に変化する）の実現を想定している。そこで、パワー半導体モジュール構造に基づき、SiC－金属電極－AlN接合体を作製し、条件を変化して接合体を作製し、その接合性を評価する。また、該接合体の耐熱性についての評価を進めるとともに、電気インピーダンス測定によるその場測定の準備として、簡単なモデル系についての比較を行う。有限要素法を用いた計算についても基本検討を進める。
(2)接合に対する水素効果について更に詳細な知見を得る為、前年度に引き続いて、昇温過程における水素予添加材の状態変化についての測定を行う。各特性について無添加材と比較し、主には表面の欠陥や状態変化に関する情報を得ることとする。具体的には、昇温ガス脱離（TDS）、示差熱量分析（DSC）、X線結晶構造回折（XRD）測定と表面及び断面の微構造観察（SEM/EPMA）が中心となる。これらにより、「水素添加による点欠陥の導入と昇温に伴う放出が、並行して部材に多数生じる原子空孔と再結晶過程や転位消滅といった動的状況における部材間の元素相互拡散性を変化し、結果として接合条件下におけるサブミクロン範囲の（塑性変形を主体とした）金属表面構造変化を促す」ものと想定する物理化学モデルを検討していく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
前年度の見直しを受けて、より熱応力の生じない部材構成である、SiC/Ni鍍金Cu電極/AlNセラミックス間の接合に対する挿間金属部材への水素チャージと、加圧・昇温状況下における接合性についての検討を進める。従って、接合装置関連の部材消耗品と特に精密加圧部のメインテナンス等に経費を使用する。先ずは、水素チャージ条件と接合温度・接合圧力を固定して接合時間を変化して接合体を作製して特性評価する。すなわち、水素効果が接合初期段階を支配するものであれば、接合界面層形成以降の各部材元素の相互拡散距離は時間の平方根に比例して延長し、その接合強度増加に資するであろうことを期待すると同時に、接合時間延長に伴って表面酸化反応が進行するといった側面もあるため、これまでの実験結果を総括する上で都合がよく、この研究で目指している「高真空でない接合雰囲気の妥当性」を評価する狙いもある。また、部材間の接続性/接合性評価の為だけでなく、耐熱試験前後の接合界面状態評価の為の各種測定や観察の為に、機器使用料と該当する消耗品の購入が必要である。加えて、耐熱性評価の為に接合体の電気的特性の経時変化測定の調整の為、関連する電極部材や基本特性評価の為の金属部材、電子部材、電気炉（現有）関連の消耗品の他に、必要に応じてGPIBを中心としたオンライン計測の為のPC環境調整を行う。なお、熱応力緩和機構として想定する水素による表面物性変化に関する検討を更に進める為、水素チャージ部材についてTDS（昇温ガス脱離）、DSC（示差熱分析）等の熱分析とXRD（結晶構造回折）を行う。成果報告と情報収集、有限要素法に関する打合せ等に旅費を使用する予定である。
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Research Products
(2 results)
