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次世代パワー半導体実装の要素技術と信頼性

  • System Integration of Wide Band Gap Semiconductors
★電力変換の高効率化とともにモジュールの小型化が可能な次世代パワー半導体(SiC/GaN)!自動車や鉄道、家電製品などで利用拡大中!
★稼働温度が高温のため耐熱性・放熱性が求められる材料・技術開発!その“熱対策”について実装に的を絞り詳述!
★接合、封止、基板、冷却・放熱、受動部品など実装のための要素技術と信頼性評価のための検査技術をまとめた一冊!

商品コード: T1008

  • 監修: 菅沼克昭
  • 発行日: 2016年5月31日
  • 価格(税込): 73,440 円
  • 体裁: B5判、278ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1161-6

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  • パワーデバイス / パワーエレクトロニクス / ワイドバンドギャップパワー半導体 / SiC / GaN / MOSFET / IGBT / 実装 / モジュール化 / パッケージング / 接合材 / 鉛フリーはんだ / 焼結接合 / ダイアタッチ / ワイヤボンド / 封止材 / エポキシ樹脂 / 放熱・絶縁基板 / セラミック基板 / 窒化アルミニウム / 窒化ケイ素 / 熱対策 / 冷却技術 / 放熱材料 / 受動部品 / 信頼性評価 / 検査 / 温度サイクル試験 / パワーサイクル試験 / 過渡熱測定

刊行にあたって

次世代パワーエレクトロニクスによる省エネルギー技術は、世界のエネルギー問題解決の一翼を担うものとして大きな期待が掛かっている。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ(WBG)パワー半導体は、既に実用が見え始めようとし、注目度も高い。これらのWBGパワー半導体は、従来のSiの限界を超え、電力変換の高効率化とともにモジュールの小型化、高周波化などの新たな付加価値を生み出す。これによって、家庭やオフィスの電子機器、電気自動車・ハイブリッド自動車・燃料電池自動車などのモーター駆動の自動車、ロボット、ソーラー・風力などの自然エネルギー発電、更に電力グリッドを構成するインフラ設備など、幅広い産業領域で、機器の省エネルギー化、小型化が可能になる。今の所、実用温度の制約と高コストのために真のパフォーマンス発揮に到らず、市場展開には至っていないが、この技術の早期の実現のためには、国内における関連産業技術の育成とともに、世界共通のプラットフォーム確立に向けた連携が必要である。従来から、パワーエレクトロニクス技術の実用化と推進では、我が国の産業界は世界をリードしてきた。今後の新たなWBG技術普及のための一層強い開発努力と、海外を視野に入れた連携が望まれる。世界のパワー半導体の市場成長は大きく、毎年、10%近い成長率を示している。日本においても、安定した成長産業として、持続的に発展することが期待される。幸いなことに、パワー半導体は「摺り合わせ」の技術が集成された「アナログ的」な技術である。半導体メモリのように、生産がデジタル化され、高価な装置を買えば世界の何処でも生産できる成熟産業にはなり得ないものだ。同時に、今日の日本の電子・電気産業が世界に先行して築いた最も強い分野であり、物造りの絶妙なバランス、材料、プロセスが要求される世界であり、これからも長く国内に定着できる最先端の技術である。
一方で、この技術領域に注目しているのは、もちろん日本ばかりではない。SiCやGaNなどのWBGパワー半導体は、省エネルギー技術の切り札として、日米欧をはじめ世界中で大規模プロジェクトが開始されている。ウェハ製造の完成度が高まり、実際の生産拡大が強く望まれる時期となり、その最大の関心がこれまで経験の無い耐熱実装技術に注がれている。言うまでも無く、実装は電子機器物造りの最後のハードルである。パワー半導体の実装においては、デバイスの機能を十分に発現することに加え、これまでに無い機器の安全安心を実現する設計指針の確立が必須である。SiCやGaNの実装では、250℃から300℃の高温までの熱衝撃に耐えられる高信頼の鉛フリー・ダイアタッチ技術や、大電流と熱の負荷に耐え、しかも高周波化による伝送損失を抑えられる新しい配線技術が必要とされる。
動き出した世界のWBGパワー半導体産業の流れの中で、そのシステム実装に関し基礎と信頼性に焦点を当てて本著を執筆する機会を得られたことは、筆者一同、幸運と感じている。本書では、これまで開発に十分な焦点が当てられてこなかった実装に的を絞り、その現状と課題を各分野の最先端を熟知する専門家により詳説している。主な章立ては、WBGパワー半導体の現状と実装、モジュール構造と信頼性課題、ワイヤボンド技術、ダイアタッチ技術、モールド樹脂技術、絶縁基板技術、耐熱受動部品の開発、冷却放熱技術、信頼性評価・検査技術である。極限環境における材料の劣化メカニズムの解明はまだ十分なレベルに達していないが、今後どのように対応を進めるべきであるかを、できるだけ分かり易いように、新たな実装材料やパッケージング構造の設計についてもまとめている。

著者一覧

菅沼克昭 大阪大学
山口浩 (国研)産業技術総合研究所
山口拓人 ㈱日立製作所
小田祐一 ㈱日立金属ネオマテリアル
廣瀬明夫 大阪大学
中島泰 三菱電機㈱
杉岡卓央 ㈱日本触媒
吉田顕二 住友ベークライト㈱
中西政隆 日本化薬㈱
平尾喜代司 (国研)産業技術総合研究所
草野大 日本ファインセラミックス㈱
周游 (国研)産業技術総合研究所
日向秀樹 (国研)産業技術総合研究所
米村直己 デンカ㈱
中本真二 京セラ㈱
長友義幸 三菱マテリアル㈱
古川裕一 昭和電工㈱
松本一昭 ㈱カネカ
神谷有弘 ㈱デンソー
鶴見敬章 東京工業大学
保科拓也 東京工業大学
武田博明 東京工業大学
斉藤賢二 太陽誘電㈱
土屋哲男 (国研)産業技術総合研究所
篠田健太郎 (国研)産業技術総合研究所
中島智彦 (国研)産業技術総合研究所
中村吉伸 東京大学
宮山勝 東京大学
青木雄一 エスペック㈱
有井一伸 エスペック㈱
岡本学 エスペック㈱
鈴木智也 エスペック㈱
吉井一郎 グラビトン・テクノロジー・コンサルティング
杉江隆一 ㈱東レリサーチセンター
高橋昭雄 横浜国立大学
山田靖 大同大学
于強 横浜国立大学
原智章 メンター・グラフィックス・ジャパン㈱
南裕樹 横河メータ&インスツルメンツ㈱

目次

第1章 次世代パワー半導体の開発動向とモジュール化技術動向
1 次世代パワー半導体の開発動向
1.1 次世代パワー半導体の魅力
1.2 パワー半導体の実装と信頼性課題
2 次世代パワー半導体のモジュール化技術動向
2.1 パワーモジュール化の魅力
2.2 パワーモジュールの構造
2.3 モジュール技術への高度化要求
2.4 機能集積化(IPM化)への期待
2.5 まとめ

第2章 ワイヤボンド・ダイアタッチ技術
1 ワイドバンドギャップパワー半導体ダイアタッチ技術
1.1 ダイアタッチ
1.2 鉛フリー高温はんだ
1.3 TLP接合
1.4 金属焼結接合
1.5 固相接合とストレスマイグレーション接合
1.6 これから
2 高温ダイアタッチ向けCu被覆Zn/Alクラッド接合材
2.1 緒言
2.2 Zn/Al/Znクラッド材
2.3 Zn/Alクラッド材へのCu被覆効果の検証
2.4 Cu/Al/Zn/Al/Cuクラッド材の接合性・接合信頼性
2.5 結言
3 酸化銀,酸化銅ペーストを用いた低温焼結接合
3.1 はじめに
3.2 酸化銀ペーストを用いた接合技術
3.3 酸化銀と酸化銅の混合ペーストを用いた接合技術
3.4 おわりに
4 パワーモジュールにおける高信頼ワイヤボンド技術
4.1 パワーデバイスの表面電極への接合技術
4.2 ワイヤボンドの接合プロセス
4.3 ワイヤボンド接合部の初期信頼性
4.4 ワイヤボンド接合部の長期信頼性
4.5 ワイヤボンド接合部の高信頼化
4.6 ダイレクトリード接合技術

第3章 樹脂技術
1 モールド樹脂技術
1.1 はじめに
1.2 封止材に対する要求特性
1.3 ナノコンポジット技術を用いた高耐熱材料の開発状況
2 半導体封止用エポキシ樹脂成形材料の展開
2.1 はじめに
2.2 半導体封止用エポキシ樹脂材料の概要
2.3 半導体封止用エポキシ樹脂成形材料の難燃性
2.4 半導体封止用エポキシ樹脂成形材料の高耐熱化
2.5 おわりに
3 パワーデバイス用エポキシ樹脂の開発
3.1 はじめに
3.2 耐熱性
3.3 耐熱分解特性
3.4 最後に

第4章 絶縁基板技術
1 パワー半導体用セラミック基板技術
1.1 はじめに
1.2 メタライズ放熱基板と高熱伝導性セラミックス
1.3 メタライズ放熱基板の残留応力と使用環境下での熱応力
1.4 温度サイクル試験によるメタライズ放熱基板の信頼性評価
1.5 モジュール設計のための基盤的な研究について
1.6 まとめ
2 パワー半導体向け高強度・高熱伝導窒化ケイ素基板
2.1 諸言
2.2 高熱伝導化のコンセプト
2.3 酸素量制御による高熱伝導窒化ケイ素の開発
2.4 反応焼結・ポスト焼結手法を用いた窒化ケイ素の高熱伝導化
2.5 反応焼結・ポスト焼結手法による薄板基板の製造
3 パワー半導体向けセラミック基板
3.1 パワーモジュールの変遷と適用される基板
3.2 回路基板概要
3.3 放熱板/MMC(金属―セラミック複合体)
4 パワー半導体用セラミックパッケージ
4.1 セラミックパッケージとは
4.2 パワー半導体用セラミックパッケージ
4.3 電気的・熱的特性
4.4 高温信頼性
4.5 おわりに
5 次世代パワー半導体用高性能絶縁回路基板「Ag焼成膜付きDBA基板」
5.1 緒言
5.2 Al回路上への新規表面処理のコンセプト
5.3 ガラス物性と密着強度の相関
5.4 ガラスフリット含有量の最適化
5.5 ダイボンディング試験
5.6 冷熱サイクル信頼性
5.7 結言

第5章 冷却・放熱技術
1 パワー半導体の冷却技術
1.1 パワー半導体の冷却における留意点
1.2 「冷却」から見た次世代パワー半導体
1.3 次世代半導体の課題
1.4 次世代パワー半導体の冷却の考え方
1.5 次世代半導体冷却への適用が期待される技術
1.6 高温動作実現のために望まれる材料開発
2 超高熱伝導グラファイトシート,及びグラファイトプレート
2.1 はじめに
2.2 グラファイトの特徴
2.3 超高熱伝導グラファイトシートの作製と物性
2.4 超高熱伝導グラファイトシートの特性
2.5 超高熱伝導グラファイトシートのアプリケーションへの利用方法
2.6 超高熱伝導グラファイトシートのアプリケーションへの応用例
2.7 グラファイトプレート
2.8 おわりに
3 両面放熱パワーモジュール「パワーカード」の実装技術
3.1 カーエレクトロニクスへの要求
3.2 車載用小型インバータにおける実装技術
3.3 将来動向

第6章 受動部品
1 高温スナバコンデンサ用誘電体の材料科学
1.1 諸言
1.2 第一原理計算による材料設計
1.3 セラミックス誘電体の絶縁破壊機構とその温度依存性
1.4 積層型スナバコンデンサの開発
1.5 結論
2 次世代パワー半導体用抵抗体の開発
2.1 はじめに
2.2 現状の抵抗器とその材料
2.3 新規抵抗体材料,製造法の開発
2.4 抵抗体の局所物性評価
2.5 まとめ

第7章 信頼性評価・検査技術
1 パワー半導体の信頼性試験について
1.1 はじめに
1.2 パワー半導体の信頼性課題
1.3 高温に対する温度サイクル試験
1.4 接合材料の熱特性評価
1.5 パワーサイクル試験
1.6 パワーサイクル試験の試験条件と劣化進行の特徴について
1.7 最後に
2 ロックインサーモグラフィの概要とそのパワー半導体への応用
2.1 はじめに
2.2 パワーデバイスにおける非破壊検査の重要性
2.3 ロックインサーモグラフィの概要
2.4 パワーデバイスへの適用事例
2.5 まとめ
3 ラマン分光法を用いたSiCパワー半導体の応力評価
3.1 はじめに
3.2 各種応力評価手法
3.3 4H-SiCのラマン散乱と応力評価原理
3.4 実験方法
3.5 結果と考察
3.6 結論
4 SiC等大電流パワーモジュール用実装材料評価
4.1 パワーデバイスと実装技術動向
4.2 パワーモジュール実装材料評価用プラットホーム
4.3 SiCパワーモジュール用実装材料評価
4.4 今後の課題
5 パワー半導体モジュールの評価試験方法
5.1 はじめに
5.2 熱特性の評価試験方法
5.3 電気特性の評価試験方法
5.4 信頼性の評価試験方法
5.5 最後に
6 パワー半導体の信頼性・シミュレーション
6.1 はじめに
6.2 解析手法
6.3 解析モデルおよび解析条件
6.4 解析結果
6.5 まとめ
7 パワーLED用実装基板における放熱性評価
7.1 はじめに
7.2 高輝度LED用電子回路基板規格における放熱性評価
7.3 まとめ
8 パワー半導体の過渡熱抵抗測定
8.1 背景
8.2 過渡熱測定時の配線方法
8.3 SiCデバイスの過渡熱測定における課題と対処方法
8.4 まとめ
9 パワー半導体のアプリケーションとその評価計測技術
9.1 はじめに
9.2 パワー半導体のアプリケーション例
9.3 パワーコンディショナにおける測定対象
9.4 測定器の選択
9.5 測定におけるポイントと信頼性
9.6 おわりに
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