成果報告書詳細
管理番号20150000000628
タイトル平成24年度-平成26年度成果報告書 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 低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト 高耐熱部品統合パワーモジュール化技術開発
公開日2015/9/1
報告書年度2012 - 2014
委託先名ファインセラミックス技術研究組合 技術研究組合次世代パワーエレクトロニクス研究開発機構
プロジェクト番号P10022
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約テーマ名: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 低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト 高耐熱部品統合パワーモジュール化技術開発

接合温度領域(200-250℃)においてSiCパワー素子が高速スイッチング性能を発揮できるよう、高耐熱の受動素子(スナバコンデンサ・スナバ抵抗等)、過酷なヒートサイクルに耐えるメタライズ放熱基板・配線基板等の構造部材、さらに、これらの部品をSiC素子とともに実装する技術の開発を進めた。なお、部品類の実装評価から明らかになった課題を解決するための設計を部品に反映させる摺合せ手法を用いて開発を進めた。またこれと並行して、開発された高耐熱部品に関わる国際標準戦略、標準化の対象となるアイテム等についての調査研究を行った。
高耐熱コンデンサ:開発目標(静電容量0.1μF級、耐電圧1kV級、共振周波数10MHz級、耐熱温度250℃、-40-+250℃の温度領域における静電容量の変動が±10%以下、かつ、体積が40mm3以下)を、二通りの手法で開発したコンデンサにより達成するとともに、基板との間の熱応力緩和のための銅製金具の構造とその接合について最適化を行った。
高耐熱抵抗:開発目標(抵抗値10Ω級、定格電力1W級、耐熱温度250℃、-40-+250℃の温度領域における抵抗値の変動が±10%以下、10MHzまでの周波数領域における抵抗値の変動が±10%以下、かつ、体積20mm3以下)を達成するとともに、開発した抵抗器の高温における特性変化の原因が内部電極材料と抵抗体材料の金属の拡散であることを明らかにした。
 メタライズ放熱基板:開発目標(熱伝導率180W/(mK)以上、曲げ強度600MPa以上、破壊靱性6MPa・m1/2以上の絶縁素材を用いた、サイズ5000mm2以上、厚み1/80inch(0.32mm)以下で両面に金属プレートが接合されたメタライズ放熱基板において、耐電圧1200V以上、-40-+250℃の温度範囲での耐ヒートサイクルが1000回以上)を達成するとともに、実装プロセス時に発生する基板の反りの抑制、ヒートサイクル時のメタライズ層の表面粗度の増加の抑制を可能とした。
 配線基板:開発目標(耐熱温度250℃、当該温度において耐電圧1200V、50A級の電流が通電可能な内部配線を有し、かつ、実装されるパワー素子電極に対する内部配線の位置精度±20μm以下)を達成した。
 高耐熱部品の国際標準化等に関する調査研究:他の産業化の成功事例等を参考に、知的財産、標準化、サプライチェーン形成等に関する国レベルの戦略を検討し、プロジェクト参加企業の間で標準化に関する情報を共有した。また、ISO等に提案するための方法、スケジュール、課題、対策を明らかにし、また海外の関連機関とのネットワーク形成等、わが国が標準化を主導できる基盤づくりを行った。
高耐熱部品の実装基盤技術:接合温度225℃で動作するSiCパワー素子の近傍に、高耐熱受動素子を実装する高温動作SiCパワーモジュールに必要な、高信頼接合技術等の実装基盤技術を開発した。また、最終レベル部品を用いて、接合温度225℃で動作するスナバ回路を付加した1200V-50A級高温動作 2in1 SiCパワーモジュールを試作・評価することにより、各部品を高温実装する際の課題解決の見通しを示した。
英文要約Title : Next Generation Power Electronics Project for a Low Carbon Emission Society/Novel Semiconductor Power Electronics Project for a Low Carbon Emission Society/Developments of Heat-Resistive Components and Packaging Technology for Power Modules

SiC power devices can operate at high switching speed under elevated junction temperatures (200~250 ℃). In order to utilize this merit, the developments on heat-resistive passive components such as snubber capacitor, snubber resistor, metalized substrate and ceramic circuit board, along with the development on technology for packaging, are conducted.
“Heat-Resistive Capacitor” : Heat-resistive Multi-Layered Ceramic Capacitors (MLCCs), which had the dielectric layers composed of either a perovskite material with high specific resistance or a solid-solution of perovskite materials, have been developed. The target values for specifications of MLCCs in the project (electrostatic capacity about 0.1μF, voltage resistance about 1kV, self-resonance frequency about 10MHz, thermal resistivity of +250℃, variation of capacitance less than 10% in the temperature range between -40℃ and +250℃, volume less than 40mm3) have been achieved.
“Heat-Resistive Resistor” : Resistors have been developed based on the ceramic tip resistor. The target values for specifications of resistors in the project (electric resistance about 10Ω, maximum rating about 1W, variation of resistance less than 10% in the temperature range between -40℃ and +250℃, volume less than 20mm3) have been achieved. Durability test at high-temperatures revealed that slight decrease in its performance occurred. It was thought that degradation of properties was caused by the diffusion of metal elements in inner electrode and resistive material.
“Metalized Substrate” : Ceramic substrate with thickness of 0.32mm, having superior thermal and mechanical properties (thermal conductivity of 182 W/(m・K), bending strength of 721 MPa (ball on 3 ball method), and fracture toughness of 11 MPa・m1/2 (SEPB method)) was developed. By optimizing metalizing process for the developed ceramic, high voltage resistance over 1.2kV and high thermal cycle resistance (temperature range : -40℃~ +250℃, 1000 cycles) could be achieved in the metalized substrate.
“Ceramic Circuit Board” : Advanced ceramic circuit boards whose matrix materials were either alumina or low temperature co-fired ceramics have been developed. The developed boards have thermal resistivity at +250℃, and have inner wiring with voltage resistance more than 1.2kV and current capacity more than 50A.
“Investigation into International Standardization on Heat-resistive Components and so on” : National strategy for standardization was studied from the successful examples in other industrial fields. The methods, schedules and themes to establish a standard of ISO or IEC were clarified. Formation of networks with overseas institutions was tried and prototype of proposal for standardization was prepared.
“Packaging Technology” : Fundamental packing technologies such as reliable bonding, which was inevitable for bonding the heat resistive passive devices near the SiC power device which can work at +225℃, were developed. A 2 in 1 SiC power module of class 1.2kV and 50A with a snubber circuit which could work at +250℃ was constructed. Issues to be addressed for the practical use of SiC module were clarified.
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