2014 Fiscal Year Research-status Report
高温動作パワー半導体実装用アルミ銅合金ワイヤボンデイングプロセスの開発
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24560873
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Research Institution | Ibaraki University |
Principal Investigator |
田代 優 茨城大学, 工学部, 講師 (90272111)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大貫 仁 茨城大学, 理工学研究科, 教授 (70315612)
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Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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Keywords | 接合 / アルミ銅合金ワイヤ / 組織観察 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究では,高温動作パワー半導体実装用新アルミ銅合金ワイヤボンデイングプロセスの開発を目的とする.ワイヤ中のθ相の析出量と析出状態の制御を行うために,銅の添加量とθ相の最大析出時効条件の検討を行う.本研究では,これらの関係を明らかにして,最適添加量および時効条件で作製した新アルミ銅合金ワイヤを用いて接合を行い,信頼性評価をヒートサイクル試験によって行う.これらの成果をもとに,高信頼性を有する新しい実装技術の構築を行い,Siパワー半導体の高温化への適用と展開をめざす.平成26年度は,Cu添加量を変えて作製したワイヤについて,容体化処理条件および最大時効処理条件下における組織観察をSEM/EDXおよびTEMを用いて行った.また,昨年来より発生しているボンデイング装置の不具合への対応を行った.その結果,得られた知見を以下に挙げる.①Al-3.04wt.%Cuアルミ銅合金ワイヤについてθ相が最大析出時効する条件を決定し,工業的に重要と考えられる容体化処理したワイヤおよび280℃下の時効処理を施したワイヤの組織観察を行った結果,溶体化処理によってCuがAl母相に完全に固溶し、過飽和固溶体となり,280℃×200minで時効処理をしたワイヤでは、結晶粒界にθ相が析出し、結晶粒内にはθ’相が網目状に析出することを見出した。また,②Al-0.22wt.%Cuアルミ銅合金ワイヤについてθ相が最大析出時効する条件を決定し,容体化処理したワイヤおよび280℃下の時効処理を施したワイヤの組織観察を行った結果,双方ともに結晶粒界および結晶粒内にθ相は観察されなかった.これらの結果から,③アルミ中のCu添加量を変えることでワイヤ組織の制御が可能であり,θ相の析出量を電気抵抗率の変化から見積もることができることを確認した.
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
平成26年度は, Cu添加量を変えて作製したワイヤについて,容体化処理条件および最大時効処理条件下における組織観察をSEM/EDXおよびTEMを用いて行った.その結果,得られた知見を以下に挙げる.①Al-3.04wt.%Cuアルミ銅合金ワイヤについてθ相が最大析出時効する条件を決定し,工業的に重要と考えられる容体化処理したワイヤおよび280℃下の時効処理を施したワイヤの組織観察を行った結果,溶体化処理によってCuがAl母相に完全に固溶し、過飽和固溶体となり,280℃×200minで時効処理をしたワイヤでは、結晶粒界にθ相が析出し、結晶粒内にはθ’相が網目状に析出することを見出した。また,②Al-0.22wt.%Cuアルミ銅合金ワイヤについてθ相が最大析出時効する条件を決定し,容体化処理したワイヤおよび280℃下の時効処理を施したワイヤの組織観察を行った結果,双方ともに結晶粒界および結晶粒内にθ相は観察されなかった.これらの結果から,③アルミ中のCu添加量を変えることでワイヤ組織の制御が可能であることを確認した.これらの研究成果によるアルミ銅合金ワイヤのCu添加量とθ相の析出時効条件および析出挙動の解明は,これからのIGBT実装プロセスの信頼性に非常に重要な情報を提供できると信じる. 一方,平成26年度中に検討を実施予定であった高温ヒートサイクル試験による信頼性の評価については,超音波ボンデイング装置トラブルのため,IGBT模擬基板へのアルミ銅合金ワイヤの接合が定常的に実施できない状態にある.現在,装置を修理を行っており,平成27年度中に開発したアルミ銅合金ワイヤの信頼性試験を実施する予定である.このため,当初の予定の計画より遅れが生じ,論文発表等に遅れている,したがって,本研究の平成26年度の進捗状況について「遅れている」と評価した.
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Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は,高温動作パワー半導体実装用新アルミ銅合金ワイヤボンデイングプロセスの開発である.パワー半導体では,接合部のワイヤ側でクラックが発生・伝播してワイヤの剥離が起こる.これまでの研究より,アルミに銅を添加してθ相を結晶粒界および粒内に析出させてクラックの進展を抑制が出来ることが分かっている.平成27年度は最終年度となるため,平成26年度までに取得したAl-3.04wt.%CuおよびAl-0.22wt.%Cuアルミ銅合金ワイヤの時効条件評価およびその組織観察結果を踏まえて時効処理を施して作製したワイヤを用いて模擬IGBT基板に超音波ボンデイングを行う.ボンデイングしたワイヤの接合部について,ヒートサイクル試験機を用いて加熱冷却の負荷加速試験を用いて行い,せん断試験を行い,その接合強度の評価および接合部の観察結果からその信頼性の評価を実施する予定である.平成26年度が最終年度であったが,前述の接合装置のトラブルのため平成27年度も継続して研究を進めることを認め頂いた.平成27年度の課題としては,遅れているとヒートサイクル試験による信頼性の評価に不可欠な超音波ボンデイング装置トラブルのため,IGBT模擬基板へのアルミ銅合金ワイヤの接合が定常的に実施できない問題の解決である.これらの問題を早期にクリアして研究を進めることを検討している.これらの研究成果によるアルミ銅合金ワイヤのCu添加量とθ相の析出時効条件および析出挙動の解明はおよびその信頼性評価結果は,これからのIGBT実装プロセスの信頼性に非常に重要な情報となるため,その論文化を目指す.
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Causes of Carryover |
老朽化した超音波接合装置を使用しているため,定常的にアルミ合金ワイヤと模擬IGBT基板の接合ができない状況にある.このため,接合装置の修理および接合後に行う信頼性評価の手段であるせん断試験評価分の予算が残金として発生した. この点については,研究期間延長願いを提出し,了承されている.
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Expenditure Plan for Carryover Budget |
①平成27年度6月中を目途に超音波ボンデイング装置の修理の実施②平成27年度9月を目途に高温ヒートサイクル試験の実施③平成27年度11月を目途に接合部のせん断強度測定試験試験の実施
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