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

• 研究課題/領域番号: 21K04709
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26050:材料加工および組織制御関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 芹澤 久 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (20294134)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 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 / セラミックス材料

研究開始時の研究の概要

次世代の輸送機器の電力化および省電力化のためには、搭載される電力変換機器の小型・軽量化が重要な課題となっており、次世代のパワー半導体としてシリコンカーバイド（SiC）製パワー半導体の活用が期待されている。本研究では、タングステン薄膜を拡散接合させたSiCに、マルチレーザ加工技術を用いて、熱伝導に優れた銅の肉盛層を生成させる技術を確立させることで、先進SiC製パワー半導体用の、新たなヒートシンクシステムの創成技術を確立することを目的とする。

研究実績の概要

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および2022年度を通じて実施した熱間等方圧加熱法によるSiC板と純タングステン薄膜との接合体作製試験結果に基づき、純タングステン薄膜への銅肉盛層形成試験を行うための、接合体作製を行った。接合体作製に用いたSiC板の厚さは、パワー半導体への利用を考慮して1.0 mmとした。一方、純タングステン薄膜については、0.025 mmではシリコン原子が銅肉盛層中に拡散してしまう弊害が認められ、最終的に0.1 mm厚さの純タングステン薄膜を用いて、健全な接合体が作製可能であることを明らかにした。
作製したSiC板／純タングステン薄膜接合体の純タングステン薄膜表面への銅肉盛層の形成には、2021から2023年度までの三年間、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た。2021および2022年度に実施した銅肉盛層形成実験より、SiC板および純タングステン薄膜の板厚の違いが、接合体への昇温プロセスに大きく影響を及ぼすことを明らかにした。そして2022および2023年度において、SiC板と純タングステン薄膜との接合体への銅肉盛層形成実験を行い、銅肉盛層が形成可能な条件を見出した。さらに、連続的な銅肉盛層形成のため、等間隔での銅肉盛層形成実験を行い、約200 μmの幅の銅肉盛層に対して、ずらし量を320 μmの間隔とすることで、連続的な銅肉盛層を形成することが可能になることを明らかにした。