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。

为了处理大电流，对用于功率控制的功率半导体具有高电流密度的需求不断增加。因此，连接功率半导体内部的半导体芯片和电路板的接头需要既具有高导热性以散热，又具有低刚性以减轻热应变。这项研究的目的是提出一种新的粘合工艺，通过在接头内部创建各向异性的微复合材料结构，在所需的方向上开发所需的性能，并获得微复合材料结构的设计指南。具体来说，我们开发了一种结合单向通孔铜箔（莲花铜箔）和锡基焊料的接合工艺，并阐明了所得结构对热性能和机械性能的影响。今年，我们设计了一种接合工艺，通过将莲花铜箔和焊锡箔夹在要接合的部件之间，并将焊料熔化并渗透到莲花铜箔的孔中，在一个方向上显示出优异的导热性。此时，充分减少接头内部的缺陷（空隙）很重要。在本次设计的方法中，发现当焊料熔化并渗透时，通过降低周围压力来主动排出接头中残留的气泡是有效的。此外，我们还阐明了键合温度、焊料体积和莲花铜箔形貌对键合后空隙率、焊料层厚度、显微结构和剪切强度的影响。通过综合控制上述各种参数，我们成功获得了 151 W/m K 的热导率，大约是单独焊料热导率 (55 W/m K) 的三倍。这表明该方法作为一种与传统焊接一样简单且具有非常好的导热性的连接方法很有前景。