2015 Fiscal Year Annual Research Report
パワーデバイス基板のVUV/Vapor-Assisted低温大気圧接合
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26289112
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
重藤 暁津 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主任研究員 (70469758)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 潤 早稲田大学, 付置研究所, 教授 (60386737)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ハイブリッド接合 / 低温 / 大気圧 / パワーエレクトロニクス / 実装 / 表面 / 界面 / 複合材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，薄型大面積の環境対応光源材料であるGaNと車載パワーエレクトロニクスに用いられるワイドバンドギャップ半導体であるSiCを中心に，電子基板を構成する材料との混載接合を150度の低温かつ大気圧雰囲気で実現する手法をほぼ確立した．本手法では，大気圧の高純度窒素雰囲気内にあらかじめ純水蒸気（やアンモニア）を一定量導入し，その中で波長200nm以下の真空紫外光（VUV）を照射することでHならびにOHラジカル種を発生させ，フォトンエネルギーによる試料表面の有機汚染物質分子の除去と同時に，半導体ならびに金属表面に対しては酸化物の還元効果が得られる．その後OHラジカル種の寄与により水和物架橋が形成され，架橋層間の水素結合（常温）ならびに脱水縮合（150度程度）で安定した接合界面が材料の種類を問わず得られる．この手法を用い，GaN，SiCの他に，半導体基板材料であるSiや可撓性基板材として有用なポリジメチルシロキサン（PDMS），耐環境性有機基板であるポリエーテルエーテルケトン（PEEK），ならびに各種金属材料（配線材料）の混載接合が達成された．これにより，次年度に行う信頼性評価用の実働試料形成が可能になったと考えられる．これらの結果の一部は国際会議にて論文賞を受賞した．
接合プロセス最適化のために，VUV照射雰囲気中に導入した水分子の体積湿度と照射時間の積，すなわち s x (g/m3）を露出量と定め，露出量をパラメータとして水和物架橋層厚の成長挙動を観察した．その結果，一定の範囲内で，層厚が露出量に比例して増加することが判明した．また，最適化された露出量条件下で接合された試料界面では，水和物の界面形成エネルギーに匹敵する結合強度が得られ，構造材料など他方面への応用も検討され始めた．
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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
本年度の研究進捗は概ね計画書の内容と同等である．SiCならびにGaNのみならず，実働基板を構成するその他材料についても接合性を発現させ，表面改質条件の最適化手法（露出量をパラメータとして用いる）を明確にした．その結果，有機・無機問わず同一条件で低温大気圧接合が可能であることが示されている．これらの結果は各種国際会議などで紹介され，構造材料分野における複合材料形成手法への応用が検討されるなど，分野横断的な連携が始まっている．
また，異種材接合界面での破断進展挙動は，材料自体の結合エネルギーや対向材料との機械的接触状況に影響されて複雑なため，破断面積に依存しない界面での真実結合エネルギーを見積もるための計算モデルを構築した．計算の結果得られた破断エネルギーは水和物架橋材料の破断に要するエネルギーと同等であり，破断進展挙動の実測結果と合致することがわかった．このことから，異種材接合界面の接合性可否を判断する目安を与えることができたと考えられる．
このように，様々な材料の接合検討を先に行い，十分な接合性を発現させる手法を確立したため，実働試料形成は次年度に行う予定である．さらに，産業応用を視野におき，非破壊で材料内部の微小欠陥を経時観察するための装置も構築した．この装置では熱抵抗ならびに熱画像解析を利用して微小欠陥の位置特定ならびに温湿度などの故障要因印加ができ，微小欠陥がマクロなクラック進展に至るまでのマルチスケール解析が可能になると期待される．
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 架橋性皮膜の成長挙動ならびに接合界面形成メカニズムの明確化（継続実施）：多様な材料間の接合界面形成メカニズムを明確にする．透過電子顕微鏡，電子エネルギー損失分光法などを利用し，架橋層内の原子レベルでの結合状態と，接合プロセス条件の関係を定量化する．特に水分子の吸着に基づく架橋層形成手法ついては，核磁気共鳴法を用いて厳密に電離した成分とそれ以外の結合状態（数）を測定する．
2) 接合再現性の確認：接合試験結果の再現性を確認する．新規に製作した簡易接合装置を用い，接合試料数の増加ならびに界面観察結果を蓄積する．
3) 信頼性評価：配線構造を有する基礎的な信頼性評価試料を製作し，MILなどの電子実装部品信頼性規格に則った試験を行う．試料の微細構造設計や実測は連携研究者もしくは外部業者に委託する．さらに，熱画像解析機能を有する非破壊微小欠陥観察装置を用いて故障進展挙動の経時的観察を行い，接合試料の破壊計算モデルを構築する．
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| Causes of Carryover |
当該助成金は，人件費を多めに見積もったために生じたものである．多様な実験を同時進行させるためには技術補佐員の雇用が不可欠なため，賃金のほかに，予測が困難な不意の残業や依頼外勤などが生じた場合に備えて一定額を確保しておく必要があった．特に年度最終月は賃金必要額が報告書作成時期に確定していないため，差額が生じたものである．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当該助成金は引き続き人件費に繰り込んで使用する．今年度は最終年度のため成果発表などのアウトリーチ活動が増えると予想されるため，その補助業務などで依頼外勤などが発生した際に充当する．
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| Remarks |
国際会議論文賞: Student Paper Award, W. Fu, A. Shigetou, S. Shoji, J. Mizuno, 10th Int'l Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), Taiwan.
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Research Products
(11 results)
