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2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of highly heat-conductive and low stiffness joint utilizing anisotropic microcomposite structure

Research Project

Project/Area Number 22K20480
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

巽 裕章  大阪大学, 接合科学研究所, 講師 (00961757)

Project Period (FY) 2022-08-31 – 2024-03-31
Keywords半導体実装 / 複合材 / はんだ / 熱伝導性 / ポーラス材料
Outline of Annual Research Achievements

電力制御用パワー半導体に対して、大電流に対応するための高電流密度化の要求が高まっている。そのため、パワー半導体内部の半導体チップと回路基板をつなぐ接合部には、熱を逃がす高熱伝導性と熱ひずみを緩和する低剛性の両立が求められている。
本研究では、接合部の内部に異方的な微細複合構造を創出することによって、狙った特性を狙った方向に発現させる新規接合プロセスの提案と、微細複合構造の設計指針を得ることを目的としている。具体的には、一方向性貫通孔を有するCu箔(ロータスCu箔)とSn基はんだを複合化する接合プロセスの開発と、得られた構造が熱的・機械的特性に及ぼす影響を明らかにする。
本年度は、被接合部材間にロータスCu箔とはんだ箔を挟みこみ、ロータスCu箔の気孔にはんだを溶融浸透させることによって、一方向に優れた熱伝導率を示す接合プロセスを考案した。このとき、接合部の内部の欠陥(ボイド)を十分に低減することが重要である。今回考案した手法では、はんだが溶融浸透する際の周囲の圧力を下げることにより、残留する気泡を積極的に接合部の外へ排出することが有効であることを見出した。加えて、接合温度、はんだの体積、およびロータスCu箔の形態が、接合後のボイド率、はんだ層の厚さ、微細構造、およびせん断強度に及ぼす影響を明確化した。
以上の各種パラメータを統合的に制御することによって、はんだ単体の熱伝導率(55 W/m K)の約3倍に相当する、151 W/m Kの熱伝導率を得ることに成功した。このことにより、従来のはんだ付と同様に簡便で、かつ非常に良好な熱伝導性を示す接合手法として期待できることを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

はんだとロータスCu箔を複合化する接合手法の考案と、得られる接合部の熱的・機械的特性の評価を進めている。当初の予定通り、2022年度はそのうち熱的特性(熱伝導性)の評価を行い、その有効性を実証することができた。また、良好な熱伝導性を得るためのキーパラメーターとして、はんだ供給量と接合時の雰囲気圧力が重要であることを見出している。
2023年度に実施を予定している機械的特性の評価に向けた部材と装置の準備をすでに完了している。したがって、当初計画どおりにおおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

2022年度考案したロータスCu箔へのはんだの溶融浸透現象を活用した接合方法の確立に向け、2023年度はロータスCu箔の気孔の形態の影響評価に注力していく。さらには、当初予定の機械的特性への影響評価を開始する。また2023年度後半には、得られた接合部として重要な評価指標である温度サイクル信頼性評価に着手する予定である。これらの結果を総合して、接合部の内部に異方的な微細複合構造を創出することによる接合部の特性制御の可能性を見出すのみならず、本研究手法の半導体機器への応用の可能性を検証していく。

Causes of Carryover

実験評価用部材について、評価に適しかつ比較的安価な部材を新たに考案した。したがって、当初見込んでいた費用より節約することができた。翌年度に購入する圧縮試験用の治具部材に充当する。

  • Research Products

    (4 results)

All 2022 Other

All Journal Article (1 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Anisotropic highly conductive joints utilizing Cu-solder microcomposite structure for high-temperature electronics packaging2022

    • Author(s)
      Tatsumi Hiroaki、Nishikawa Hiroshi
    • Journal Title

      Materials & Design

      Volume: 223 Pages: 111204~111204

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2022.111204

  • [Presentation] Thermal and Mechanical Evaluation of Anisotropic Cu-Solder Composite Joint on High Temperature Storage2022

    • Author(s)
      Tatsumi Hiroaki、Nishikawa Hiroshi
    • Organizer
      TMS2023 152nd Annual Meeting Exhibition
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 研究者HP

    • URL

      https://hiroakitatsumi.com/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱伝導接合構造、熱伝導接合方法、該熱伝導接合構造を有するヒートシンク、並びに該熱伝導接合構造を有する半導体装置2022

    • Inventor(s)
      巽裕章、井手拓哉、村上政明、沼田富行
    • Industrial Property Rights Holder
      巽裕章、井手拓哉、村上政明、沼田富行
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-133874

URL: 

Published: 2023-12-25  

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