SiCパワー半導体用接合材の自己修復現象を発見【NEDO】

2016年3月28日

SiCパワー半導体用接合材の自己修復現象を発見
―長期信頼性向上により自動車分野への応用促進―

NEDOプロジェクトにおいて、大阪大学と㈱デンソーは、SiC（シリコンカーバイド）パワー半導体の長期信頼性向上が期待できる接合材の自己修復現象を発見しました。
高温の機器動作環境下で接合部の亀裂が自己修復するというもので、本成果は、自動車分野などSiCパワー半導体の適用可能性を大きく高めました。

亀裂の自己修復の様子（左が修復前、右が修復後）

1．概要

電力変換器等のパワー半導体応用製品において、故障の主要因は接合部の剥離といわれています。特に高い信頼性が求められる自動車応用では、接合部の寿命が重要な要素となっています。これまでNEDOは、「低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト」（2009～2019年度）において、接合材として従来用いられているはんだ材より電気、熱的特性に優れた銀焼結材の開発を行っていましたが、剥離寿命が短いのが実用化における課題となっていました。
今般、NEDOプロジェクトにおいて、国立大学法人大阪大学と株式会社デンソーは、SiC^※1パワー半導体の長期信頼性向上が期待できる接合材（銀焼結材）の自己修復現象を発見しました。
今回発見した現象は、銀焼結材の接合層中に生じる亀裂が高温の機器動作環境下で自己修復するというものです。この発見により、銀焼結材の実用化における課題であった剥離寿命について、自己修復によって解決できる可能性を見出し、自動車分野への適用可能性を大きく高めました。また、銀焼結材は、高耐熱性、低損失性に優れるため、SiCパワー半導体の適用拡大も期待できます。

2．今回の成果

マイクロサイズとサブミクロンサイズのハイブリッド銀粒子ペーストを用い、250℃の低温で30分間の大気中の接合プロセスにより、図1に示すダイアタッチ接合構造^※2が得られます。本接合プロセス（銀ペースト焼結接合法）は、広く行われているナノ粒子を用い高圧を付加する接合プロセスと比較して、ハンドリングが容易、格段に原料が安価、強度40MPa以上（はんだ接続より高い）、熱伝導率150W／mK以上（はんだの5倍以上）、無加圧か1MPa以下の低圧で処理が可能、という特長があります。

図1 銀ペースト焼結接合法の概略と接合断面組織の例

実験では、銀粒子を高密度に焼結し、引張り試験片を作製しました。この引張り試験片にノッチ加工を施し、さらに僅かな引張荷重を掛けることで、ノッチの先端に鋭い亀裂を導入しました。この一連の作業を図2に示します。この試験片をSiCパワー半導体の動作温度を考慮して、大気中で200℃、及び300℃で保持し、亀裂先端の変化の様子と試験片の引張り強度変化を調べました。

図2 引張り試験片の準備

図3には、亀裂導入初期のSEM写真と、200℃保持後、及び、300℃保持後の同じ亀裂の写真を比較して示しました。初期亀裂が大きく開いているのに対し、200℃で保持した場合には明らかに亀裂が閉じつつあり、aで示す部分は先端の鋭い部分が焼結して閉じており、bも接触して接合が始まっていることが伺えます。また、さらに300℃に温度を上げると、aの部分は広範囲に亘って亀裂が閉じており、亀裂の自己修復現象がより明確になっています。

図3 亀裂が自己修復する様子

この亀裂先端の焼結鈍化現象に伴って、亀裂導入した引張り試験片の強度が回復する様子を図4に示しました。図4には、亀裂導入試験片の引張り強度に及ぼす200℃における焼鈍の効果を示しており、比較のために亀裂を導入しない試験片の強度変化も併せて示しています。亀裂がない試料は、時間と共に僅かに強度が減少しますが、これに対し亀裂導入試験片は、初期状態から明らかに回復が見られ、100時間保持後はほとんど亀裂を導入しない試験片と同等のレベルに到達しています。

図4 亀裂を導入した試験片の引張り強度変化