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成果報告書詳細
管理番号20190000000611
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム) 次世代パワーエレクトロニクス/SiCに関する拠点型共通基盤技術開発 自動車向けSiC耐熱モジュール実装技術の研究開発
公開日2019/6/25
報告書年度2014 - 2018
委託先名学校法人早稲田大学 国立大学法人九州工業大学 トヨタ自動車株式会社 株式会社デンソー
プロジェクト番号P14029
部署名IoT推進部
和文要約ハイブリッド電気自動車(HEV)および電気自動車(EV)のパワーモジュールとして炭化ケイ素(SiC)デバイスを組み込むことへの期待が高まっている。SiCパワーデバイスの性能を最大限に引き出すために、はんだ接合やAlワイヤボンディングに代わる高温耐熱性を実現できる新しい接合技術の必要性が強く求められている。新設計リードフレームを介して電極とSiCデバイス間の狭いスペースでの相互接続を可能にするニッケルマイクロメッキボンディング(NMPB)と呼ばれる新しいマイクロメッキ法による接続技術を開発した。NMPB用のメッキ浴は、スルファミン酸ニッケルおよびいくつかの添加剤からなるスルファミン酸浴であり、結合界面にメッキ欠陥なしに狭い領域をメッキするため特に調製された。柱状の結晶粒子が対向する両方の電極表面から成長すると、界面に微小空隙のような欠陥が無い強固な結合が得られることが分かった。NMPBの接合強度は、せん断試験により、通常のPbフリーはんだ接合よりも接合強度が高く、250℃1000時間HTS後および1000サイクルTCT後でも劣化しないことが確認された。剪断モードは、ほとんどすべての場合において接合界面での破断ではなく、銅リードの内側の破断またはチップの破断であることが判明した。このNMPB法を、両面冷却構造用に新たに設計されたリードフレームと接続された、2対のSiC MOS-FETとSBDを使用する1レグSiCインバータパワーモジュールの製造に適用した。樹脂成形後、NMPBリードの両面の外面にアディティブ法により厚さ1mmの銅製ヒートシンクを形成した。パワーモジュールのI-V特性は室温、150℃および250℃でカーブトレーサーを使用して計測し、250℃においても安定したI-V特性が確認できた。比較のために、従来の鉛フリーはんだとセラミックパッケージを用いて、同じSiCデバイスを実装し、通常のパワーモジュールを製作した。それらのI-V特性はNMPBモジュールで得られた特性とほぼ同じであったが、従来のPbフリーはんだのパッケージの測定は250℃では困難であった。NMPBモジュールをTCT試験によって評価したところ、1,000サイクルまで有意な劣化は見られなかった。パワーサイクル試験も接合部温度のΔTj=150℃(250℃/100℃)で実施し、10万サイクル以上まで劣化を示さなかった。40nsのターンオフ時間でスイッチングする場合、従来の構造と比較して、サージ電圧を大幅に減らすことができ、リンギングはNMPB構造ではほとんど発生しなかった。さらに、サージ電圧の制限値を同じ条件に設定すると、650V/100A動作時のターンオフ損失が従来構造の約1/2となることを示すことができた。
英文要約Title : Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (SIP) / Next-generation power electronics / R&D of packaging technology for high temperature resistant SiC module of automobile of next-generation SiC power electronics (FY2014-FY2018) Final Report

There are high expectations for incorporating silicon carbide (SiC) devices as power modules in hybrid electric vehicles (HEV) and electric vehicles (EV). The need for new bonding technologies, which can deliver high-temperature thermal resistance that replaces solder bonding or Al wire bonding, has been strongly expected in order to maximize the performance of SiC power device. We developed a new micro-plating interconnection technology named Nickel Micro Plating Bonding (NMPB), which enables the interconnection in a narrow space between electrodes and SiC devices via our newly designed lead frame, whose lead surface is formed into chevron shape. The plating bath for NMPB was a sulfamic acid bath consisting of nickel sulfamate and some additive agents, which was specially prepared for plating a narrow area without plating defects at the bond interface. It was found that the columnar grains grow from both electrode surfaces could lead to bonding without defects such as micro voids at the interfaces. As for the bonding strength of NMPB, it was confirmed by shear tests that the bonds showed higher bonding strength than ordinary Pb free solder die bonding and no degradation even after HTS at 250℃ for 1000hrs and after 1000cycle TCT. The shear mode was in almost all cases found to be the copper lead inside fracture or chip breaks, namely it was not the fracture at the bond interface. The NMPB could be applied to the manufacture of one leg SiC inverter power module using two pairs of SiC MOS-FETs and SBDs, which were interconnected with a newly designed lead frame for a double sided cooling structure. The copper heat sink having a thickness of 1mm was formed on the outer surfaces of both sides of the NMPB leads by additive method after resin molding. The I-V characteristic of the power module was first examined by using a curve tracer at room temperature, 150℃ and 250℃. It showed stable I-V characteristics at 250℃ . For comparison we also packaged ordinary power module by using conventional Pb free solder and ceramic package with the same SiC devices. Their I-V characteristic was almost same as that obtained for our NMPB module, while their measurement for Pb free solder was difficult at 250℃. The modules were evaluated by TCT and it showed no significant degradation up to 1000 TCT cycles. The power cycle tests were also performed with ΔTj=150℃(250℃/100℃) of junction temperatures and showed no degradation over 100000 cycles. In the case of switching at the turn-off time of 40 ns, the surge voltage could be reduced and ringing hardly occurs for NMPB structure, compared with conventional structure. Furthermore, when the limit value of the surge voltage is set to the same condition, the turn-off loss is reduced to about 1/2 of that of the conventional structure for an operation of 650V/100A.
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