パワー半導体デバイスダイアタッチ接合部の疲労き裂ネットワーク破壊寿命予測法の確立

功率半导体器件芯片连接疲劳裂纹网络断裂寿命预测方法的建立

基本信息

批准号：
21K04182
负责人：
苅谷義治
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Shibaura Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

最近，パワー半導体デバイスのパワーサイクル試験において，ダイアタッチ接合部で疲労き裂がネットワーク状に連結する破壊が報告されている．Sn基合金系ダイアタッチにおけるこの破壊に関しては，等2軸応力を駆動力とする破壊機構が解明されつつあるが，近年開発が進むAg粒子焼結接合に関する等2軸応力疲労破壊の研究は皆無である．Ag粒子焼結により接合されたダイアタッチの寿命予測には等2軸応力熱疲労試験による破壊解析が必要である．本研究では，短周期パワーサイクル試験同様の応力負荷を与えるダイアタッチ材料の等2軸応力熱疲労試験方法を提案し，等2軸応力下におけるAgナノ粒子焼結体の熱疲労破壊挙動を調査した．本研究で提案する等2軸応力熱疲労試験を実施した結果，Agナノ粒子焼結体全域において，パワーサイクルにおける破壊同様，鉛直方向のき裂発生が観察された．この疲労破壊は逆位相型の疲労であり，Agナノ粒子焼結過程において導入された欠陥から降温時における等2軸引張応力を駆動力としてき裂が発生，また，き裂が開口，進展することにより破壊が進行することがわかった．別途実施した単軸機械疲労により得られた疲労き裂進展試験から得れたき裂進展則より導出した平滑剤の疲労き裂発生則と高速温度サイクル試験の寿命を比較したところ，高速温度サイクル試験の寿命は，等2軸応力と欠陥の有害性を考慮すれば，高温域（373K以上）の単軸機械疲労寿命と同等であると解釈される．これらのことから，パワー半導体ダイアタッチにAgナノ粒子焼結接合を適用した場合のパワーサイクル寿命は，単軸の高温側の機械疲労寿命則に2軸度および欠陥の影響を考慮すれば，予測可能となる知見が得られた．

最近，在功率半导体器件的功率循环测试中，报告了疲劳裂纹在芯片连接处呈网络状连接的故障。对于Sn基合金芯片粘接中的这种断裂，以等双轴应力为驱动力的断裂机理正在被阐明，但目前还没有关于近年来发展起来的Ag颗粒烧结接合中的等双轴应力疲劳断裂的研究。是。为了预测通过银颗粒烧结粘合的芯片的寿命，需要使用等双轴应力热疲劳测试进行断裂分析。在本研究中，我们提出了一种芯片连接材料的等双轴应力热疲劳测试方法，该方法施加类似于短周期功率循环测试的应力载荷，并研究了银纳米颗粒烧结体在等双轴应力下的热疲劳断裂行为。本研究中提出的等双轴应力热疲劳试验的结果是，在整个银纳米粒子烧结体中观察到垂直裂纹的萌生，类似于功率循环引起的断裂。该疲劳断裂是反相型疲劳，其中在冷却期间的等双轴拉伸应力的驱动力下，由Ag纳米颗粒烧结过程中引入的缺陷产生裂纹，并且裂纹张开并扩展，导致破坏。进步。将通过单独进行的单轴机械疲劳获得的疲劳裂纹扩展试验获得的裂纹扩展规则导出的平滑剂的疲劳裂纹萌生规则与高速温度循环试验的寿命进行比较，结果表明，该钢的寿命为考虑到等双轴应力和缺陷的危害性，解释为相当于高温范围（373K以上）的单轴机械疲劳寿命。根据这些事实，通过考虑双轴性和缺陷对单轴高温侧机械疲劳寿命定律的影响，可以预测Ag纳米粒子烧结接合应用于功率半导体芯片贴装时的功率循环寿命。使这成为可能的知识。