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

利用各向异性微复合结构开发高导热低刚度接头

基本信息

批准号：
22K20480
负责人：
巽裕章
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20480/
关键词：
半導体実装複合材はんだ熱伝導性ポーラス材料剛性

项目摘要

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。

对高电流密度的需求不断增长，以适应用于电源控制的功率半导体的大电流。因此，对高温电导率的需求允许释放热量和较低的刚性，从而降低了功率半导体连接处的热失真。这项研究旨在提出一个新的结合过程，该过程在交界处创建各向异性精细的复合结构，从而创建一个新型的结合过程，该过程在目标方向上表达目标性质，并获得设计精细复合结构的指南。具体而言，我们将阐明将CU箔（Lotus Cu Foil）与单向透孔与SN基焊料结合的键合过程的发展，以及获得的结构对热和机械性能的影响。今年，我们设计了一个粘结过程，该过程通过将Lotus Cu Foil和焊料箔夹在要连接的成员之间，在一个方向上表现出极好的热导率，并将焊料融化并渗透到Lotus Cu Foil的孔中。目前，重要的是要充分减少关节内部的缺陷（空隙）。这次设计的方法已被发现有效地通过降低焊料融化和穿透时降低周围压力来积极排放残留气泡。此外，阐明了粘结温度，焊料体积和荷花cu箔形态对粘结，焊料层厚度，微结构和剪切强度后的空隙比的影响。通过积分控制上述各种参数，我们成功地达到了151 W/m K的热导率，这大约是仅焊料的热导率的三倍（55 W/m K）。这表明有可能期望一种像常规焊接方法一样简单的粘结方法，并且表现出极好的导热率。