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高耐熱高放熱Agポーラス圧粉材の低温低圧大面積接合技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K04243
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21060:電子デバイスおよび電子機器関連
研究機関大阪大学

研究代表者

陳 伝とう  大阪大学, 産業科学研究所, 特任准教授(常勤) (50791703)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワードAg 圧粉材シート接合 / 低温短時間焼結 / 高放熱高耐熱実装技術 / 信頼性評価 / パワーモジュール構造 / 大面積基板接合 / Ag シート接合 / 短時間焼結 / 高放熱 / 低温低圧接合技術 / Ag粒子圧粉材 / 大面積接合 / 高放熱モジュール / 多素子実装
研究開始時の研究の概要

電気自動車用インバータをはじめとする高温高出力環境で使用されるパワー機器では、さらなる小型化省エネルギー化が望まれている。技術確立には、新たな高耐熱高放熱実装材料開発と実装プロセスのマッチングが鍵を握る。本提案ではAg粒子圧粉マイクロポーラスシートによる新たな低温低圧接合技術とプロセス開発を目指す。有機溶媒レスでAg粒子をポーラスシートに圧粉成形し、表面に一定の加工組織を導入し、新たな接合プロセスを開発する。多層多素子と大面積放熱構造接合まで適用し、次世代高放熱モジュールに適したデバイス設計、実装材料、モジュール化技術の高度化を図り、多素子多層モジュール化の理想的な実装技術を確立する。

研究実績の概要

従来のSiデバイスの動作温度である150 ℃に比 べて大幅に高い極限環境の動作温度(~250℃)で信頼性を確保する必要がある次世代SiC超耐熱 実装において、新たな接合材料への開発が期 待される。特に、耐熱・放熱パフォーマンス が優れ、高電圧・大電流電力変換できる大面積チップ接合、セラミックス基板とヒートシンクとの大面積への接合材料の開発要求が高まってきている。
本研究では有機溶剤を利用せずにAg圧粉材シートを新規に開発し、低温短時間固体接合技術を実現する。2023年度にはミクロンフレーク状のAg粒子を用いて短時間熱圧で30mmx30mmのAgシートを作成し、その後にシートの両面に機械研磨することで、接合面にTi/AgスーバッタされたSiCと銅板に挟んで低温(200℃、250℃、300℃)短時間(1分、3分、5分)の熱圧プロセスで構造を実装した。結果としては、200℃、1分間の熱圧プロセスでもSiC/Agシート/Cu板の接合構造のせん断強度は40MPa近いになり、250℃、1分間実装する場合には、80MPa以上のせん断強度が得られた。
一方、EBSDで機械研磨されたAgシート表面と断面を分析した。Agシート表面に厚みがおよそ0.02mmの研磨層が形成され、結晶粒サイズが数100nmまで微細化されることが確認できた。また、XRDの分析で、研磨されたAgシート表面に20MPa程度の圧縮残留応力が検出された。この結果により、Ag圧粉材の表面にナノ結晶層と圧縮残留応力があるため、低温短時間でも界面相互拡散が進行でき、強固な界面形成できるとのメカニズムを解明した。また、大面積接合基板接合に向けて30x30mm2銅板と銅板の接合も行い、短時間で大面積接合でも接合界面が形成され、強固な接合が実現できた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度では、銀圧粉材の表面研磨により、200℃、1分間の熱圧プロセスでもSiC/Agシート/Cu板の接合構造のせん断強度は40MPa近いになり、250℃、1分間実装する場合には、80MPa以上のせん断強度が得られた。計画より非常に高い接合強度が得られた。また、EBSDやXRDなど研磨されたAg圧粉シートの分析を行い、研磨された最表面の結晶構造が微細化され、加えて表面に圧縮残留応力が形成されることにより短時間高強度接合可能となるとのメカニズムを解明した。これによって今後いろんな固相接合に対して低温短時間で界面接合が可能となり、新たな界面形成メカニズムの提案となり、実装技術に大きな参考となる。
また、大面積接合基板接合に向けて30x30mm2銅板と銅板の接合も行い、短時間で大面積接合でも接合界面が形成され、強固な接合が実現できた。計画通りに順調に進んでいる。今回新たに提案したAgシート接合技術は、耐熱と 放熱に優れるだけでなくコストパフォーマンスの魅力を有することから、SiCの能力を最大 限に生かすことが可能である。小型・軽量化・高出力モータ電源制御用インバータに向けて、 Agシートで低温大面積セラミックス基板への接合技術と最適化プロセス開発もできた。 今回パワー半導体が必要とする新たな実装に着手し、世界の他 のグループに先駆けて、 開発を進める基本的なアプローチが素材の各種現象の 根本を理解した材料設計であり、特に、大面積接合技術の開発においては、世界の 他 のグループより一段階早い先進性を有すると考えられる。

今後の研究の推進方策

今後の進め方について下記のように推進する。
1. 低温短時間接合されたSiC/Agシート/AMB基板構造の高温(250℃)信頼性と熱衝撃試験(-50℃~250℃)信頼性評価を行い、劣化特性を解明する。現在のAgペーストやCuペースト実装技術を比較し、優位性を証明する。
2. 銀シートでSiCチップと基板との接合、またセラミックス基板とヒートシンクとの接合も行い、短時間多チップの接合と多層接合プロセスと技術を開発する。
3. Ag圧粉シート表面研磨プロセスの手間が必要で、研磨なしのシートで接合を開発する。具体的には表面化学処理や、メッキなど実施することによりシート表面にナノ結晶構造を形成する。低コストの実装材料で大量生産が可能なシート接合技術を実現し、実用化にする。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 13件、 招待講演 3件) 図書 (1件) 備考 (1件) 産業財産権 (6件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] Interface regulation of micro-sized sintered Ag-10Al composite based on in-situ surface modification and enhanced microstructure stability in power electronic packaging2024

    • 著者名/発表者名
      Huo Fupeng、Chen Chuantong、Zhang Zheng、Wang Ye、Suetake Aiji、Takeshita Kazutaka、Yamaguchi Yoshiji、Momose Yashima、Suganuma Katsuaki
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 240 ページ: 112863-112863

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2024.112863

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Large area bare Cu-Cu interconnection using micro-Cu paste at different sintering temperatures and pressures2023

    • 著者名/発表者名
      Li W.Y.、Chen C.T.、Ueshima M.、Kobatake T.、Suganuma K.
    • 雑誌名

      Microelectronics Reliability

      巻: 150 ページ: 115105-115105

    • DOI

      10.1016/j.microrel.2023.115105

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of high thermal conductivity of Ag/diamond composite sintering paste and its thermal shock reliability evaluation in SiC power modules2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Yuxin、Qiu Xiaoming、Li Wangyun、Wang Suyu、Ma Ninshu、Ueshima Minoru、Chen Chuantong、Suganuma Katsuaki
    • 雑誌名

      Journal of Materials Research and Technology

      巻: 26 ページ: 1079-1093

    • DOI

      10.1016/j.jmrt.2023.07.254

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Large-scale bare Cu bonding by 10μm-sized Cu-Ag composite paste in low temperature low pressure air conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Chen Chuantong、Zhao Shuaijie、Sekiguchi Takuya、Suganuma Katsuaki
    • 雑誌名

      Journal of Science: Advanced Materials and Devices

      巻: 8 号: 3 ページ: 100606-100606

    • DOI

      10.1016/j.jsamd.2023.100606

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of micron-sized Cu-Ag composite paste for oxidation-free bare Cu bonding in air condition and its deterioration mechanism during aging and power cycling tests2023

    • 著者名/発表者名
      Chen Chuantong、Kim Dongjin、Liu Yang、Sekiguchi Takuya、Su Yutai、Long Xu、Liu Canyu、Liu Changqing、Suganuma Katsuaki
    • 雑誌名

      Journal of Materials Research and Technology

      巻: 24 ページ: 8967-8983

    • DOI

      10.1016/j.jmrt.2023.05.104

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of crack-less and deformation-resistant electroplated Ni/electroless Ni/Pt/Ag metallization layers for Ag-sintered joint during a harsh thermal shock2022

    • 著者名/発表者名
      Liu Yang、Chen Chuantong、Zhang Zheng、Ueshima Minoru、Sakamoto Takeshi、Naoe Takuya、Nishikawa Hiroshi、Oda Yukinori、Suganuma Katsuaki
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 224 ページ: 111389-111389

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2022.111389

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Thermal fatigue behaviors of SiC power module by Ag sinter joining under harsh thermal shock test2022

    • 著者名/発表者名
      Chuantong Chen, Hao Zhang, Jinting Jiu, Xu Long, Katsuaki Suganuma
    • 雑誌名

      China Welding

      巻: 31 ページ: 15-21

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Novel Al/AlN bonding by micro-sized Ag particles sinter joining in low temperature low pressure air conditions2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen; Y Liu; M Ueshima; K Suganuma
    • 学会等名
      2023 International Conference on Electronics Packaging (ICEP)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High reliability design Ag sinter joining on softened Ni-P/Pt/Ag metallization substrate during harsh thermal cycling2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen; Y Liu; W Li; F Huo; M Ueshima; T Sakamoto; Y Oda,K Suganuma
    • 学会等名
      2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation of morphology evolution and pore segregation of Ag sinter joint at high temperature2023

    • 著者名/発表者名
      Y Wang; C Chen; G Fu; B Wan; K Suganuma
    • 学会等名
      2023 24th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of Bonding Strength and Thermal Shock Reliability for Ag Sinter Joining Direct on Al Substrate2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen; R Liu; K Kobayashi; H Osanai; Z Zhang; K Suganuma
    • 学会等名
      2023 24th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition (EMPC)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of micron-sized Ag-Si composite paste die attach material for highly stable microstructure during high temperate aging2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen; Y Liu; W Li; M Ueshima; K Nakayama; K Suganuma
    • 学会等名
      2023 IEEE 25th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Ag-Si composite paste joining for high thermal reliability in SiC power module2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen; Y Liu; M Ueshima; K Nakayama; K Suganuma
    • 学会等名
      Materials Research Society of Japan (MRS-J)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] "(Invited Keynote) Ag sinter joining and beyond Ag sinter joining technologies for WEB power device in high temperature applications "2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen
    • 学会等名
      2023 24th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] "(Invited Keynote) Progress of Ag paste sinter joining in WBG power modules "2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen
    • 学会等名
      The 9th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors (IFWS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] (Invited Keynote)Progress of Ag sinter joining technology in SiC power modules2023

    • 著者名/発表者名
      C Chen
    • 学会等名
      9th International Conference on Welding Science and Engineering (WSE 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Phase Formation and Transformation Behavior in Rapidly Solidified Ag-Si Alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Yicheng Zhang; Koji Nakayama; Chuantong Chen; Minoru Ueshima; Katsuaki Suganuma
    • 学会等名
      TMS 2024 Annual Meeting & Exhibition
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Rapid silver sinter joining technology for large area chips2023

    • 著者名/発表者名
      Luobin Zhang,Chuantong Chen, Fupeng Huo, Wangyun Li, Katsuaki Suganuma
    • 学会等名
      International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Novel Al /AlN bonding by micro-sized Ag particles sinter joining in low temperature low pressure air conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Chuantong Chen , Yang Liu, Minoru Ueshima, Katsuaki Suganuma
    • 学会等名
      International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Micro-flake Ag paste sinter joining on bare DBA substrate for high temperature SiC power modules2022

    • 著者名/発表者名
      Chuantong Chen, Katsuaki Suganuma
    • 学会等名
      International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [図書] 金属ナノ粒子、微粒子の合成、調製と最新応用技術2022

    • 著者名/発表者名
      執筆者:57名、技術情報協会
    • 総ページ数
      558
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048623
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考]

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?user=u1l8YNAAAAAJ&hl=en

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 放熱構造体の製造方法2024

    • 発明者名
      CHEN CHUANTONG、小林 幸司
    • 権利者名
      CHEN CHUANTONG、小林 幸司
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 金属シート2023

    • 発明者名
      CHEN CHUANTONG、上島 稔、下山 章夫
    • 権利者名
      CHEN CHUANTONG、上島 稔、下山 章夫
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 低温焼結性接合用材料および接合構造体2023

    • 発明者名
      CHEN CHUANTONG、劉 洋、上島 稔
    • 権利者名
      CHEN CHUANTONG、劉 洋、上島 稔
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 劣化診断方法および劣化診断装置2023

    • 発明者名
      CHEN CHUANTONG、菅沼克昭、柳田憲史、増澤高志
    • 権利者名
      CHEN CHUANTONG、菅沼克昭、柳田憲史、増澤高志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 合金粉末含有組成物、及び半導体装置2023

    • 発明者名
      CHEN CHUANTONG、劉洋、直永卓也、上島稔、坂本健志
    • 権利者名
      CHEN CHUANTONG、劉洋、直永卓也、上島稔、坂本健志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 表面改質低温焼結接合金属2023

    • 発明者名
      陳伝とう
    • 権利者名
      陳伝とう
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 取得年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会・シンポジウム開催] Next generation power device symposium2023

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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