アルミナの微細組織制御とその特性に関する研究

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アルミナの微細組織制御とその特性に関する研究

著者 西村 芳孝

学位名 博士(工学)

学位授与番号 13903甲第761号 学位授与年月日 2011‑03‑23

URL http://id.nii.ac.jp/1476/00002942/

アルミナの微細組織制御とその特性に関する研究

2011

西 村 芳 孝

目 次

第 １ 章 自 然 エ ネ ル ギ ー へ の 転 換 と パ ワ ー モ ジ ュ ー ル デ バ イ ス の 果 た す

役 割 ---1

1.1 研 究 背 景 ---1

1.2 研 究 の 目 的 と 概 要 ---3

参 考 文 献 ---4

第 ２ 章 パ ワ ー モ ジ ュ ー ル デ バ イ ス と そ の セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 に 求 め ら れ る 性 質 ---5

2.1 緒 言 ---5

2.2 IGBTモ ジ ュ ー ル の 構 造 ---6

2.3 実 験 方 法 ---9

2.3.1 放 熱 特 性 の 評 価 ---9

2.3.2 熱 膨 張 係 数 測 定 ---10

2.3.3 信 頼 性 評 価 試 験 ---10

2.4 結 果 と 考 察 ---11

2.4.1 放 熱 特 性 評 価 ---11

2.4 2 信 頼 性 評 価 ---16

2.５ ま と め ---19

参 考 文 献 ---20

第 ３ 章 微 細 組 織 制 御 に よ る 高 機 能 ア ル ミ ナ 基 材 の 開 発 ---22

3.1 緒 言 ---22

3.2 ナ ノ 粒 子 分 散 ア ル ミ ナ 強 化 機 構 ---23

3.3 粒 子 配 向 制 御 強 化 機 構 ---26

3.4 絶 縁 耐 圧 と 機 械 強 度 特 性 の 関 係 - - - 2 8

3.5 ま と め---29

参 考 文 献---30

第 ４ 章 Ni ナ ノ 粒 子 分 散 ア ル ミ ナ 基 板 の 作 製 と 特 性 評 価- - - 3 2 4.1 緒 言---32

4.2 実 験 方 法---33

4.2.1 原 料 の 調 整---33

4.2.2 微 細 組 織 観 察---34

4.2.3 相 対 密 度 の 測 定 お よ び 機 械 特 性 評 価---34

4.2.4 熱 特 性 の 評 価---35

4.2.5 絶 縁 耐 圧 の 評 価---36

4.3 結 果 と 考 察---36

4. 3.1 Ni の 存 在 箇 所 を 変 化 さ せ た ア ル ミ ナ 基 ナ ノ 複 合 材 料 の 作 製- -- -3 6 4.3.2 機 械 特 性 評 価---42

4.3.3 微 細 組 織---44

4.3.4 熱 特 性---45

4.3.5 絶 縁 特 性---52

4.4 ま と め---54

参 考 文 献---55

第 ５ 章 粒 子 配 向 制 御 に よ る 高 機 能 ア ル ミ ナ の 作 製 と 特 性 評 価- - - 5 7 5.1 緒 言---57

5.2 実 験 方 法---58

5.2.1 試 料 の 作 製---58

5.2.2 粒 子 径 お よ び 配 向 度 の 測 定---59

5.2.3 絶 縁 耐 圧 の 調 査---60

5.2.4 機 械 特 性---61

5.2.5 熱 伝 導 率 測 定 ---61

5.3 結 果 と 考 察---62

5.3.1 微 細 組 織---62

5.3.2 熱 特 性---65

5.3.3 機 械 特 性---67

5.3.4 絶 縁 特 性---71

5.3.5 絶 縁 特 性 と 熱 特 性 の 関 係---73

5.4 ま と め---75

参 考 文 献---75

第 ６ 章 総 括---77

著 者 発 表 の 研 究 論 文---80

謝 辞---81

第 1 章 自然エネルギーへの転換とパワーモジュールデバイスの果たす 役割

1.1 研究背景

近年、地球温暖化は最も大きな環境問題であり、その原因としては CO₂等温室効果ガスの排出 が考えられている。世界規模での地球温暖化による異常気象を防止する為、1997 年に気候変 動枠組条約第 3 回締約国会議（COP3、京都会議）において温室効果ガス削減の取り組みが議 決された。日本国温室効果ガスインベントリ報告書 ¹⁾をもとに作成した京都議定書の排出基 準に対する年度毎の排出量の割合を図 1 に示す。2012 年度に 1990 年度排出量に対し-6％と いう京都議定書の目標に対し、実際の排出量は増加傾向にある。日本においてはオイルショ ック以降、1990 年までに既に省エネ活動を続けており、他国より厳しい目標値になっている とも言われているが、今後排出量を減少に転じ大幅な排出削減を行うためには抜本的な対策 が必要となる。

各国で温暖化対策が進まない中、2008 年後半にリーマンショックを発端とする世界的経済 危機が発生した。その中で米国ではオバマ政権下のグリーンニューディール政策として、環 境対応をキーワードにした経済対策（再生可能エネルギー利用と省エネルギーの推進）を実 施している。一方日本では、鳩山首相が 09 年の気象変動首脳会合で温暖化排出ガスの削減を 2020 年までに 1990 年度に対し 25％実施することを表明した。それに従い自然を利用した再 生可能エネルギーを 2020 年度までに一次エネルギー全供給量の 10%に到達させることを閣議 決定した²⁾。

この動きにより、従来の化石燃料に変わり風力発電や太陽光などの自然エネルギーが注目 されるようになってきた。ところで風力発電や太陽光発電により発電された電気エネルギー は、必要とされる電流、電圧、および周波数にパワーエレクトロニクス技術を用いて変換さ れている。このパワーエレクトロニクスは、エレクトロニクス制御による電気エネルギーの コントロールや変換、加えて他のエネルギー形態への変換技術であり、その適用分野は、前 述の自然発電ばかりでなく、我々の生活のほとんどの家電製品から自動車などの大衆消費材 に適用されている。

パワーデバイスは、バルブデバイスとも言われ、何らかのスイッチ機能を持ち、パワーエ レクトロニクスにおいて最も基本的かつ重要な構成要素である。自然エネルギー発電におけ る電力変換、およびモータ制御におけるパワーデバイスの果たす役割は重要である。風力発

Fig.1-1 Trends in Greenhouse gases emissions in Japan Fig.1-1 Trends in Greenhouse gases emissions in Japan

電においては、発電した電力の変換機にパワーデバイスとして IGBT^3-5)モジュールが使用され ている。この風力発電における IGBT モジュールは風力発電塔内の限られたスペースに設置さ れることが多く、そのため IGBT モジュールを水冷することにより実装密度を上げ小型化を図 っており、効率化とダウンサイジングが計られている⁶⁾。風力発電ユニット容量は 2000 年に 0.6MW であったものが、2007 年には約 3 倍の 1.8MW に増大している。そのため使用している IGBT モジュールは更なる高密度化、かつ大容量化が求められている。またこの風力発電機の 大型化に伴い、設置場所が従来の陸上から海上に移動している。海上は安定した風が吹くた め発電効率が優れる一方、保守作業が難しいため使用部品の高信頼性化が要求される。また、

電力輸送の効率化を図るため必然的に高電圧となり、そのため IGBT モジュールの高耐圧化が 進んでいる。加えて、直流を交流に逆変換するインバータ制御方法として高い電流容量帯が 必要とされているため、その意味からも高耐圧化が望まれている⁷⁾。

IGBT モジュールにおいてセラミックスは、（1）絶縁の確保、（2）IGBT チップから発生する 熱を放熱フィンへ伝導、その上に(3) 電気回路を形成する基材としての役割を担っている。

8)セラミックスは、IGBT モジュールを構成する他部材と比較し熱伝導率が低いため、セラミ ックス自体の熱伝導率を向上させること、及び高絶縁圧特性を保ちつつ強度を落さずに出来 るだけ厚みを薄くして熱抵抗を低減することが求められている。

1.2 研究の目的と概要

本論文は、IGBT モジュールに欠かせない絶縁セラミックス基板の果たす役割にスポットを あてる。セラミックス材料の特性が IGBT モジュールの使用中の放熱性、および熱膨張差によ

る破壊を防ぐ信頼性に与える影響について解明する。そこから、IGBT モジュールのセラミッ クスに求められる要求性能について明らかにする。そして本研究は、最終的に IGBT モジュー ルで使用するための微細組織制御による高機能アルミナ基板の開発を目的とし、微細組織制 御とセラミックスの強度、靭性、熱伝導率、および絶縁耐圧などの関係を明らかにし、絶縁 セラミックス基板材料開発の指針を得た。

参考文献

1)National Greenhouse Gas Inventory Report of Japan 2010, Greenhouse Gas Inventory Office of Japan (GIO), CGER, NIES , Ministry of the Environment, Japan , April 2010.

2)地球温暖化対策基本法案.

3)B.J.Baliga, M.S.Adler, P.V.Gray, R.Love, and N.Zommer, IEEE IEDM Tech.,Dig., pp.264-267(1982).

4)J.P.Russell, A.M.Goodman, L.A.Goodman, and J.M.Neilson, IEEE Electron Device Letter, EDL-4,pp.63-65(1983).

5)Y.Seki.T IEE Japan, 122-C,pp1074-1076 (2002)

6)T.Ambo, M.Souda. IEEJ Jounal, 129, no.5, pp.291-294(2009).

7)Y.Abe, K.Maruyama, Y.Matsumoto, K.Sasagawa, K.Matsuse. IEEJ Trans.IA, 127,pp241-246(2007) 8)W.W.Sheng, R.P.Colino, Power Electronic Module. CRC press pp11-36(2005)

第

2

2.1 緒 言

IGBT と は(Insulated Gate Bipolar Transistor)の 略 称 で あ り 、PNP バ イ ポ ー

ラ ト ラ ン ジ ス タ を MOSゲ ー ト で 駆 動 す る こ と で 高 速 ス イ ッ チ ン グ を 可 能 と し た 半 導 体 で あ る 。通 常 は IGBT モ ジ ュ ー ル な ど 、そ の 他 の 構 成 要 素 ま で を 合 わ せ た ア ッ セ ン ブ リ ー で 表 現 さ れ る こ と が 多 い 。 こ の IGBT モ ジ ュ ー ル は 、 家 電 製 品 、 自 動 車 、産 業 用 ロ ボ ッ ト か ら 発 電 機 の 変 圧 ま で 幅 広 い 分 野 に お い て 使 用 さ れ て い

る ^{1 - 3 ）}。IGBT モ ジ ュ ー ル に 要 求 さ れ る 特 性 と し て は 、 高 効 率 化 に よ る 省 エ ネ ル

ギ ー 化 、小 型 化 、高 信 頼 性 、あ る い は ノ イ ズ 低 減 等 が 挙 げ ら れ る 。こ れ ら の 要 求 に 対 し 、従 来 ま で は 主 に IGBT モ ジ ュ ー ル の チ ッ プ と 呼 ば れ る 部 品 (素 子 )の 改 善 に よ り 特 性 の 向 上 を 目 指 し て き た 。例 え ば 、IGBT チ ッ プ に お い て フ ィ ー ル ド ス ト ッ プ 構 造 を 採 用 す る こ と に よ り 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 薄 型 化 が 促 進 さ れ 低 損 失 化 が 進 ん だ ^{4 ) , 5 )}。し か し な が ら シ リ コ ン を 用 い た IGBT チ ッ プ の 特 性 改 善 は 理 論 限 界 値 に 近 づ い て お り 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 成 部 材 に よ る 特 性 改 善 が 期 待 さ れ て い る 。

と こ ろ で す べ て の 産 業 製 品 は 、 地 球 環 境 へ の 配 慮 が 重 要 な 課 題 と な っ て い る 。 酸 性 雨 に よ っ て 、廃 棄 さ れ た 電 気 機 器 の は ん だ か ら 鉛 が 流 出 し 、地 下 水 を 汚 染 し て い る 。そ の た め IGBT モ ジ ュ ー ル に お い て も 従 来 の 鉛 は ん だ か ら 鉛 フ リ ー は ん

だ に 代 替 す る こ と で 、”電 気 ・ 電 子 機 器 に 含 ま れ る 特 定 有 害 物 質 の 使 用 制 限 に 関 す る 欧 州 議 会 及 び 理 事 会 指 令(RoHS 指 令)”^{6 )}へ の 対 応 が 不 可 欠 と な っ て い る 。そ の た め 、こ の は ん だ の 代 替 が IGBT モ ジ ュ ー ル の 熱 や 破 壊 信 頼 性 特 性 に 大 き な 影 響 を 与 え て い る 。

本 章 で は 、IGBT モ ジ ュ ー ル に 要 求 さ れ る 重 要 な 特 性 （ 放 熱 性 、 破 壊 信 頼 性 ） へ お よ ぼ す IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 造 の 影 響 を 調 査 し 、次 世 代 IGBT モ ジ ュ ー ル に 求 め ら れ る 構 造 、お よ び そ れ に 使 用 さ れ る セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 と し て 必 要 な 特 性 を 明 確 化 す る こ と を 目 的 と す る 。

2.2 IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 造

IGBT チ ッ プ と ダ イ オ ー ド を 搭 載 し 、規 定 の ケ ー ス に 収 め た ア ッ セ ン ブ リ ー を IGBT モ ジ ュ ー ル と 呼 ん で い る 。IGBT モ ジ ュ ー ル の 一 般 的 な 構 造 を 図 2-1 に 示

す 。複 数 の IGBT チ ッ プ と ダ イ オ ー ド が 回 路 基 板 上 に 搭 載 さ れ 、電 気 回 路 を 形 成 し て い る 。さ ら に 、回 路 と 放 熱 板 の 間 に 絶 縁 層 を 形 成 す る こ と で 電 気 回 路 の 絶 縁 を 確 保 し て い る こ と を 特 徴 と し て い る 。稼 働 時 、IGBT チ ッ プ は 、1200～1700V と い う 高 電 圧 が 印 加 さ れ 、お よ そ 125℃ で 動 作 し て い る 。そ の た め 絶 縁 層 と し て プ リ ン ト 基 板 な ど の 有 機 物 を 用 い る と 、熱 劣 化 や 電 圧 印 加 箇 所 に お い て イ オ ン マ イ グ レ ー シ ョ ン （ 金 属 イ オ ン の 拡 散 現 象 に よ っ て 絶 縁 不 良 と な り 短 絡 す る こ と ） に よ り 絶 縁 劣 化 し 、長 期 信 頼 性 を 確 保 す る こ と が 難 し い 。そ の た め 熱 的 お よ び 化 学 的 に 安 定 な セ ラ ミ ッ ク ス を 用 い た セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 回 路 基 板 （Direct Copper

Case IGBT chip Solder :50W/mK

Copper circuit：390W/mK Ceramic

20-170W/mK Copper foil ：390W/mK Solder :55W/mK

Copper base：390W/mK

DCB　 substrate Case

IGBT chip Solder :50W/mK

Copper circuit：390W/mK Ceramic

20-170W/mK Copper foil ：390W/mK Solder :55W/mK

Copper base：390W/mK

DCB　 substrate

Fig.2-1 IGBT module structure and specifications.

Bonding 基 板 ） が 主 に 使 用 さ れ て い る 。

IGBT チ ッ プ か ら 発 生 し た 熱 は 、銅 回 路 、セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 層 、は ん だ 接 合 層 、

そ し て 銅 ベ ー ス を 通 り 、最 終 的 に 放 熱 フ ィ ン に 抜 け 放 熱 さ れ る 。表 2-1 に 絶 縁 層 に 用 い ら れ る セ ラ ミ ッ ク ス の 諸 特 性 を 示 し た 。セ ラミ ック ス 材 の 熱 伝 導 率 は、 20 ～ 170W/m･K である。この中 で、アルミナは高 強 度 で安 価 であるが、窒 化 アルミニウムや窒 化 珪 素 と比 較 し熱 伝 導 率 は低 い。工 業 製 品 としては、安 価 なアルミナは有 力 な IGBT モ ジュールの候 補 材 料 であり、必 要 な機 能 を向 上 させるための研 究 は重 要 である。

ところで、RoHS 指 令 により、IGBT モジュールにおいても、鉛 を含 んだはんだ材 の使 用 が規 制 対 象 となった。IGBT モジュールにおけるはんだ材 は IGBT チップと銅 回 路 接 合 部 、 およびセラミックス絶 縁 基 板 と銅 ベースの接 合 部 に使 用 されている(図 2-1 参 照 )。鉛 フリ ーはんだ を 適 用 する上 での 技 術 的 課 題 は、 鉛 フリ ーは んだ 材 の 高 融 点 化 に 伴 う実 装 温 度 の高 温 化 と、はんだ材 の変 更 に伴 う熱 疲 労 、即 ち繰 り返 し熱 負 荷 がかかることでチップ

Table2-1 Characteristics of ceramics used for insulating substrate

とセラミックス絶 縁 基 板 、または銅 ベースとセラミックス絶 縁 基 板 の接 合 部 で熱 膨 張 差 によ り発 生 する熱 応 力 によ り、接 合 部 が破 壊 するといった信 頼 性 の 低 下 の 改 善 である ^{7 )}。実 装 温 度 の 高 温 化 は 、 使 用 部 材 の 変 更 に よ る 耐 熱 温 度 の 高 温 化 、 およ び 実 装 装 置 の 変 更 により対 応 している。IGBT チップと銅 回 路 の接 合 においては、SnAg 鉛 フリーはんだ ^{8 )} の適 用 により破 壊 信 頼 性 は確 保 されたが ^{9 )}、一 方 、セラミックス絶 縁 基 板 と銅 ベースの接 合 部 の破 壊 信 頼 性 の確 保 が課 題 となっている。表 2-1 から、熱 膨 張 係 数 は、窒 化 アルミ ニウムや窒 化 珪 素 と比 較 してアルミナの値 は最 も銅 ベースの値 に近 い。製 品 の稼 動 時 に おける温 度 変 化 によって絶 縁 基 板 と銅 ベース間 に発 生 する応 力 は、窒 化 アルミニウムや 窒 化 珪 素 基 板 と 比 較 してアルミ ナは小 さく、要 求 される高 信 頼 性 を確 保 できる可 能 性 が ある。そこでセラミック ス絶 縁 基 板 と してはアルミナセラミックスを用 い、その特 性 が IGBT

Ceramics

Thermal conductivity

W/m･K

Thermal expansion coefficient

×10

/K

Young's modulus

GPa

Ceramic thickness

mm

Alumina ^{18 7 360} 0.25-0.32

Aluminium nitride ^{170 4 310} 0.635

Silicon nitride ^{70 3 296} 0.32-0.635

base thickness

Copper _{390 16 112 3}

Ceramics

Thermal conductivity

W/m･K

Thermal expansion coefficient

×10

/K

Young's modulus

GPa

Ceramic thickness

mm

Alumina ^{18 7 360} 0.25-0.32

Aluminium nitride ^{170 4 310} 0.635

Silicon nitride ^{70 3 296} 0.32-0.635

base thickness

Copper _{390 16 112 3}

モ ジ ュ ー ル の 放 熱 性 お よ び 信 頼 性 に 与 え る 影 響 に つ い て 研 究 し た 。

2.3 実 験 方 法

2.3.1 放 熱 特 性 の 評 価

構 造 部 材 の 放 熱 性 の 解 析 調 査 は 、ADINA（ ソ フ ト ウ エ ア：ADINA R&D、 Inc 製 ）を 用 い た 有 限 要 素 法 に よ り 解 析 を 行 っ た 。図 2-2 に 解 析 に 用 い た モ デ ル の 模 式 図 を 示 す 。

Fig.2-2 Thermal analysis model (single chip)

各 部 品 の サ イ ズ は 、IGBT チ ッ プ サ イ ズ が 9.25×9.25mm、 セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 サ イ ズ が 33×30×0.32mm、お よ び 放 熱 銅 板 サ イ ズ が60×38×3mmで あ る 。 銅 回 路 基 板 の 厚 み を 0.25 お よ び 0.6mm と し 、加 え て セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 18～170W/m･K と し た 場 合 に お い て 、IGBT の チ ッ プ に 150W の 電 力 を 印 加 し

9.25 × 9.25mm DCB:35 × Chip:

× 30mm

60 mm

38mm

Base 9.25 × 9.25mm

DCB:35 × Chip:

× 30mm

60 mm 60 mm

38mm

Base

た 状 態 に お け る IGBT チ ッ プ の 温 度 解 析 を 行 っ た 。

実 測 用 の 試 料 は 、解 析 モ デ ル と 同 サ イ ズ 、同 構 成 に て 作 製 し た 。セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 に は 、 ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 （ 熱 伝 導 率 28W/m･K、 銅 回 路 の 厚 み 0.6mm）、 お よ び 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 （ 熱 伝 導 率 170W/m･K、 銅 回 路 の 厚 み 0.25mm品 ） を 用 い た 。 チ ッ プ 温 度 の 測 定 に は 、 放 射 率 を 一 定 に す る た め 観 察 面 に カ ー ボ ン を 塗 布 し 、サ ー モ ビ ュ ー ア(TVS-8500:ア ビ オ ニ ク ス 製)を 用 い て 行 っ た 。測 定 条 件 は 、IGBTチ ッ プ に 150Wの 電 力 を 印 加 し 、 5 分 間 保 持 し て 安 定 化 し た チ ッ プ の 温 度 を 測 定 し た 。

2.3.2 熱 膨 張 係 数 測 定

アルミナセラミックス絶 縁 基 板 の表 裏 に接 合 する銅 回 路 の厚 みを 0.25、0.4、0.5 および 0.6mm とした試 料 （セラミック絶 縁 基 板 サイズ 33×30×0.32mm）を用 いて、線 膨 張 係 数 の 測 定 をおこなった。測 定 温 度 は 25℃および 300℃とし、各 温 度 でセラミックス絶 縁 基 板 を 1 時 間 保 持 後 、レーザ変 位 計 （LT-8100:キーエンス製 ）を用 いて銅 回 路 表 面 長 の測 定 を おこない、単 位 温 度 当 たりの線 膨 張 率 を算 出 した。

2.3.3 信 頼 性 評 価 試 験 （ 温 度 サ イ ク ル 試 験 ）

セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 と 銅 ベ ー ス 接 合 部 は 稼 動 中 、IGBT が 繰 り 返 し オ ン オ フ さ れ 、発 熱 を 繰 り 返 す こ と で 各 部 材 の 熱 膨 張 係 数 差 で 発 生 す る 熱 応 力 に よ り 破 壊 す る 。そ こ で 稼 動 時 を 想 定 し た 温 度 変 化 を 模 擬 し た 温 度 サ イ ク ル 試 験 に よ り 信 頼

性 の 評 価 を 行 っ た 。

銅 回 路 の厚 みを 0.25 および 0.6mm としたセラミック絶 縁 基 板 (33×30×0.32mm)に、

放 熱 用 銅 板 （25×17×3mm）を鉛 フリーはんだにて接 合 し、温 度 サイクル試 験 を行 った。

試 験 条 件 は １ サ イ ク ル ； -40 ℃ (60min) ～ RT(30min) ～ 125 ℃ (60min) と し た 。 温 度 サ イ ク ル 試 験 後 の、 セラミックス絶 縁 基 板 - 銅 ベース間 はんだの 劣 化 状 況 は超 音 波 探 傷 装 置 （プ ローブ 25MHz、FS300:日 立 建 機 製 ）を用 い、はんだ層 に発 生 した亀 裂 長 さの測 定 をおこ なった。

2.4 結 果 と 考 察 2.4.1 放 熱 特 性

放 熱 性 の 指 標 で あ る 熱 抵 抗 値(Rth)は 次 式 に て 示 さ れ る 。

λ

Rth= t (2-1)

こ こ で tは 放 熱 経 路 の 厚 み 、Sは 放 熱 経 路 の 断 面 積 、λは 物 質 の 熱 伝 導 率 で あ る 。 熱 抵 抗 値 を 小 さ く す る 為 に は 、層 厚 み を 薄 く 、放 熱 経 路 断 面 積 を 大 き く 、熱 伝 導 率 を 高 く す れ ば よ い こ と が 判 る 。

図 2-3(a)に 、現 行 の IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 造 断 面 図 と チ ッ プ か ら の 放 熱 経 路 を 示 し た 。IGBT チ ッ プ で 発 生 し た 熱 は 、は ん だ 接 合 層 、絶 縁 基 板 の 銅 回 路 、セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 層 、裏 銅 回 路 、は ん だ 接 合 層 か ら 、放 熱 用 銅 ベ ー ス と 伝 わ り 、最 終 的 に は 冷 却 フ ィ ン で 冷 却 さ れ る 。IGBT モ ジ ュ ー ル 構 造 の 放 熱 経 路 に お い て 、最 も 熱 伝 導 率 が 低 い 層 （ 部 材 ） は ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス 層 で あ る 。 つ ま り IGBT

の チ ッ プ 温 度 は 、セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 λ の 影 響 を 最 も 受 け る こ と が わ か る 。セ ラ ミ ッ ク ス 層 の 熱 抵 抗 を 低 減 す る た め に 、ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス を 用 い た 絶 縁 基 板 で は 、既 に セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 の 厚 み を 、表 2-1 に 示 す よ う に 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム や 窒 化 珪 素 基 板 と 比 較 し て 、そ の 厚 さ を 薄 く し 対 応 し て い る 。さ ら に セ ラ ミ ッ ク ス 層 の 熱 抵 抗 を 低 減 す る た め の 対 策 と し て は 、式 2-1 よ り 、放 熱 経 路 の 断 面 積 を 大 き く す る こ と 、あ る い は 本 質 的 に セ ラ ミ ッ ク ス 層 の 高 熱 伝 導 化 に よ り 熱 抵 抗 を 低 減 す る 方 法 が あ る 。こ の 放 熱 経 路 面 積 の 増 大 に つ い て は 、セ ラ ミ ッ ク ス 層 前 の 銅 回 路 基 板 を 厚 く す る こ と で 、放 熱 経 路 の 断 面 積 が 大 き で き る と 考 え た 。こ の 銅 回 路 基 板 を 厚 く し た 構 造 の 模 式 図 を 図 2-3(b)に 示 す 。

Fig.2-3 Cross-sectional structure of IGBT modules

Fin Chip

Fin Chip

Current Development

Chip

Fin Chip

Fin

(a) Conventional (b) Development

Chip

Copper base 390W/m

Heat flux

Copper 390W/m

K Alumina

20W/m

K Copper

390W/m・K Solder 50W/m

K

Fin Chip

Fin Chip

Current Development

Chip

Fin Chip

Fin

(a) Conventional (b) Development

Chip

Copper base 390W/m

Heat flux

Copper 390W/m

K Alumina

20W/m

K Copper

390W/m・K

Solder

50W/m

K

そ こ で 、銅 回 路 の 厚 み 、お よ び セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 と チ ッ プ 温 度 と の 関 係 に つ い て 有 限 要 素 法 を 用 い た コ ン ピ ュ ー タ 解 析 を 試 み た 。図 2-4 に 、そ の 解 析 結 果 を 示 す 。銅 回 路 の 厚 み を 0.25mm と し 、セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 15W/m･K か ら 60W/m･Kに 変 化 さ せ る と 、 チ ッ プ 温 度 は 約 20℃ 低 下 し た 。

一 方 、セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 70W/m･Kか ら 170W/m･Kに 増 加 し た 場 合 、 チ ッ プ 温 度 の 低 下 は わ ず か ４ ℃ で あ っ た 。 銅 回 路 の 厚 み を 0.6mm に し た 場 合 に お い て も 同 様 の 傾 向 を 示 し た 。こ れ は IGBT チ ッ プ と セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の 接 続 の た め に 使 用 し て い る は ん だ 層 の 熱 伝 導 率 が 50W/m･K で あ り 、モ ジ ュ ー ル の 構 成 要 素 の 中 で 、も っ と も 大 き な 熱 抵 抗 層 が 、セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 か ら は ん だ 層 に 変 わ っ た こ と が 原 因 と み ら れ た 。そ の た め セ ラ ミ ッ ク 基 板 の 熱 伝 導 率 が 60W/m･ K 以 上 に お い て 、チ ッ プ 温 度 が 低 下 し に く く な っ た と 考 え ら れ る 。一 般 的 に 用 い

ら れ て い る 鉛 フ リ ー は ん だ 材 は 、Sn の 成 分 が 90％ 以 上 を 占 め る 。Sn 単 体 の 熱 伝 導 率 が 68W/m･K¹⁰⁾で あ る こ と か ら 、現 条 件 で の IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 造 に お け る セ ラ ミ ッ ク 基 板 の 熱 伝 導 率 の 最 適 値 は 、は ん だ 材 と 同 程 度 で あ る こ と が 望 ま し い と い え る 。

次 に 、銅 回 路 の 厚 み が チ ッ プ 温 度 に 与 え る 影 響 に つ い て 考 察 し た 。セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 20W/m･K と 仮 定 し 、銅 回 路 の 厚 み を 0.25mm か ら 0.6mm に 厚 く し た 場 合 、 チ ッ プ 温 度 の 低 下 は 約 10℃ で あ っ た 。 一 方 、 セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 170W/m･K と 仮 定 し 、 銅 回 路 の 厚 み を 0.25mm か ら 0.6mm に 厚 く し た 場 合 、チ ッ プ 温 度 の 低 下 は 約 ６ ℃ と 小 さ く な っ た 。こ の こ と か ら セ ラ ミ ッ ク の 熱

伝 導 率 が 低 い 程 、銅 回 路 の 厚 み を 厚 く す る こ と で 放 熱 性 が 向 上 す る こ と が わ か っ た 。

Fig.2-4 Relationship between thermal conductivity of ceramics, copper foil thickness and chip junction temperature.

80 85 90 95 100 105 110 115 120

0 50 100 150 200

Thermal conductivity of ceramic (W/m･K) Chip ｊ un ctio n te m pera ture (

C)

Copper foil thickness 0.25mm

Copper foil thickness 0.6mm

Conventional AlN structure

80 85 90 95 100 105 110 115 120

0 50 100 150 200

Thermal conductivity of ceramic (W/m･K) Chip ｊ un ctio n te m pera ture (

C)

Copper foil thickness 0.25mm

Copper foil thickness 0.6mm

Conventional

AlN structure

以 上 の 解 析 結 果 か ら 、30W/m･K の 熱 伝 導 率 の ア ル ミ ナ 板 と 0.6mm の 銅 回 路 の 厚 み を 用 い る こ と で 、現 在 、最 も 放 熱 性 が よ い 基 板 で あ る 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム 絶 縁 基 板 を 用 い た 場 合 と 同 等 の IGBT チ ッ プ の 温 度 を 低 下 さ せ る こ と が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た 。

そ こ で 、 解 析 モ デ ル と 同 サ イ ズ （33×30×0.32mm） で 熱 伝 導 率 28W/m･K の ア ル ミ ナ 板 を 用 い 、 銅 回 路 の 厚 み を 0.6mm の と し た 試 料 を 作 製 し 、 実 測 に よ る チ ッ プ 温 度 を 測 定 し た 。 比 較 検 討 試 料 と し て 、 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム 絶 縁 板 （33× 30×0.635mm） を 用 い 、 銅 回 路 の 厚 み を 0.25ｍ ｍ と し た 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム 絶 縁 基 板 を 用 い た 。150W の 電 力 を 印 加 し 5 分 間 保 持 し て 安 定 化 し た チ ッ プ 表 面 温 度 分 布 を サ ー モ ビ ュ ー ア 装 置 で 解 析 し た 結 果 を 図 2-5 に 示 す 。ア ル ミ ナ と 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム を 用 い た 双 方 の 絶 縁 基 板 の 温 度 差 は 約 3 度 で あ っ た 。こ の 値 は 、図 2-4 で 示 し た 有 限 要 素 法 に よ る 解 析 結 果 と ほ ぼ 一 致 し た 。

Fig.2-5 IR camera images of the (a) alumina substrate with 0.6mm copper foil (b) aluminum nitride substrate.

93.7

C (a)

90.5

C (b)

93.7

C (a)

90.5

C

(b)

2-4-2 信 頼 性 評 価

セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 と 銅 ベ ー ス 間 の 熱 膨 張 係 数 差 の 違 い に よ り 発 生 す る 応 力 を 低 減 さ せ る 方 法 と し て 、銅 ベ ー ス の 替 わ り に Cu-Mo 複 合 材 料 や AlSiC 複 合 材 ¹¹⁾、Cu-Cu2O 複 合 材 料 ¹²⁾、 さ ら に カ ー ボ ン 複 合 材 料 を 用 い 、 放 熱 性 が 高 く 、 し か も 熱 膨 張 係 数 を セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 に 合 わ せ る こ と に よ り 信 頼 性 を 高 め る 方 法 が 提 案 さ れ て い る 。し か し 、い ず れ の 複 合 材 料 も 銅 と 比 較 し て 熱 伝 導 率 が 低 く 、か つ 材 料 の コ ス ト が 高 い 。そ の た め ハ イ ブ リ ッ ト 自 動 車 や 、電 車 な ど 高 信 頼 性 が 要 求 さ れ る 分 野 の 一 部 に 適 用 さ れ て い る の み で あ る 。

そ こ で 今 回 は 、セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の 熱 膨 張 係 数 を 銅 ベ ー ス に 近 づ け る こ と に よ り 、は ん だ 層 に 発 生 す る 応 力 を 低 減 さ せ る 検 討 を お こ な っ た 。セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の よ う に 銅/セ ラ ミ ッ ク ス/銅 の 三 層 複 合 材 料 で あ る 複 合 体 に お け る 水 平 方 向 対 す る 熱 膨 張 係 数 α は 次 式 に よ っ て 表 さ れ る ¹³⁾。

) (

) (

2 2 1 1

2 2 1 2

1 t E t E

E t + + −

=

α α α

α

こ こ でα1は セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 膨 張 係 数 、t1は セ ラ ミ ッ ク ス の 厚 み 、E_１は セ ラ ミ ッ ク ス の ヤ ン グ 率 、α2は 銅 回 路 の 熱 膨 張 係 数 、t1は 銅 回 路 の 厚 み 、E_２は 銅 回 路 の ヤ ン グ 率 を 表 す 。式 2-2 と 表 2-1 よ り 、セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の 表 面 方 向 の 熱 膨 張 係 数 を 大 き く す る た め に は 、銅 回 路 の 厚 み(t2)を セ ラ ミ ッ ク ス の 厚 み(t1)に 対 し て よ り 厚 く す れ ば よ い こ と が 判 る 。図 2-6 に 、銅 回 路 の 厚 み と 絶 縁 基 板 表 面 の 熱 膨 張 係 数 の 関 係 を 示 す 。 銅 回 路 の 厚 み が 0.25mm の 場 合 、 セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁

基 板 表 面 の 熱 膨 張 係 数 は 、ほ ぼ ア ル ミ ナ と 同 じ で あ り 、銅 の 回 路 表 面 の 熱 膨 張 係 数 が ア ル ミ ナ の 熱 膨 張 係 数 の 影 響 を 受 け て い る こ と が わ か っ た 。銅 回 路 の 厚 み が 増 す の と 共 に 銅 回 路 表 面 の 熱 膨 張 係 数 は 大 き く な り 、 銅 の 回 路 の 厚 み が 0.6mm で は 、 ほ ぼ 銅 の 熱 膨 張 係 数 と 一 致 し た 。

Fig.2-6 Change of the thermal expansion coefficient of DCB with the copper circuit thickness.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Copper circuit thickness (mm) Alumina

Copper

T herm al expa nsio n c oef fic ient of D CB (p pm /K)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Copper circuit thickness (mm) Alumina

Copper

T herm al expa nsio n c oef fic ient of D CB (p pm /K)

次 に 、銅 回 路 の 厚 み が 信 頼 性 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 研 究 し た 。図 2-7 に 、温 度 サ イ ク ル 数 と は ん だ 層 に 発 生 し た 亀 裂 長 さ の 関 係 を 示 す 。従 来 の 基 板 で は 温 度 サ イ ク ル 数 が 1000 サ イ ク ル に 達 し た 場 合 に 約 1mm の 亀 裂 が 発 生 し た が 、 銅 回 路 の 厚 み が 0.5mm の 場 合 の 基 板 で は 、 亀 裂 が 観 察 さ れ ず 、3 倍 以 上 に 寿 命 が 向 上 す る こ と が 明 ら か に な っ た 。

Fig.2-7 Relationship between copper circuit thickness and resistance characteristics in thermal cycle test.

0 1 2 3 4 5

0 1000 2000 3000 4000

0 1 2 3 4 5

0 1000 2000 3000 4000

The number of thermal cycling test times

So ld er crack len gt h (mm)

copper circuit thickness 0.25mm copper circuit thickness 0.5mm

0 1 2 3 4 5

0 1000 2000 3000 4000

0 1 2 3 4 5

0 1000 2000 3000 4000

The number of thermal cycling test times

So ld er crack len gt h (mm)

copper circuit thickness 0.25mm

copper circuit thickness 0.5mm

2.5 ま と め

本 章 で は 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 構 造 か ら 放 熱 性 及 び 破 壊 信 頼 性 に 及 ぼ す セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の 熱 伝 導 率 の 影 響 に つ い て 研 究 を 行 っ た 。そ の 結 果 、次 な る 知 見 を 得 た 。

１)IGBT モ ジ ュ ー ル 構 造 に お け る セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 が 、 チ ッ プ 温 度 に 与 え る 影 響 に つ い て 有 限 要 素 法 に よ る 解 析 を お こ な っ た 。セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 が 60W/ｍ ･K 以 下 の 場 合 で は 、 セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 が IGBT モ ジ ュ ー ル の 放 熱 性 の 支 配 因 子 と な っ た 。一 方 、セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 が 60W/m･K 以 上 で は 、 は ん だ 層 の 熱 伝 導 率 が IGBT モ ジ ュ ー ル の 放 熱 性 を 支 配 す る 因 子 と な っ た 。 以 上 の 結 果 か ら 、 セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 は は ん だ 材 と 同 程 度 （60W/m･K） で あ る こ と が 望 ま し い と 結 論 付 け ら れ た 。

2)セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 が 28W/m･K で 、 銅 の 回 路 の 厚 み を 0.6mm と し た 場

合 、セ ラ ミ ッ ク ス 層 を 通 過 す る 熱 密 度 を 低 く し 、現 行 で は 最 も 放 熱 性 が よ い と さ れ る 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム 絶 縁 基 板 を 用 い た 場 合 と 同 等 の 放 熱 性 を 実 現 し た 。

3)セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 に お け る 銅 回 路 の 厚 み が 接 合 層 の 熱 膨 張 係 数 に 与 え る

影 響 、さ ら に そ の 熱 膨 張 差 か ら 発 生 す る 応 力 に よ る 破 壊 信 頼 性 を 評 価 し た 。銅 の 回 路 の 厚 み を 0.5mm と し 、 ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 を 用 い た 場 合 、 セ ラ ミ ッ

ク ス 絶 縁 基 板 表 面 の 熱 膨 張 係 数 を 銅 に 近 付 け 、現 行 の 放 熱 性 に 優 れ た ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 に 対 し 、3 倍 以 上 の 破 壊 信 頼 性 を 実 現 し た 。

参 考 文 献

1)Y.Seki.T IEE Japan, 122-C,pp1074-1076 (2002).

2)G.Majumdar, IEEJ Trans.,pp.143-153(2007).

3)I.Takata, G.Majumdar, IEEJ Trans.,pp.32-36(2010).

4)T.Laska, M.Munzer, F.Pfirsch, C.Schaeffer, Proc.ISPSD2000, pp.355-358 (2000).

5)Y.Onozawa, M.Otsuki, N.Iwamuro, S.Miyashita, T.Miyasaka, Y.Seki and T Matsumoto IEEE Trans on Industry Applications..39, pp513-519 (2007).

6)“Directive 2002/95/EC of European Parliament and the Council on the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment”, the Official Journal of European Union, L37, 13.2.2003, p.19.(2003)

7)Suganuma Katsuaki,J.JIEP., 9, pp134-137（2006）.

8)Nagano, M., N. Hidaka, H. Watanabe, M. Shimoda, and M.Ono, J.JIEP.,9, pp171-179 (2006).

9)A. Morozumi, K. Yamada, T. Miyasaka, S. Sumi, and Y. Seki, IEEE Trans on Industry Applications..39, pp665-671 (2003).

10)Y.Fukuoka M.Ishizuka,J.apply phy., pp1377-1384 (1990).

11)M.K. Premkumar, . Proc. 3rd International Symposium, pp162-165 (1997)

12)R. Saito,Y. Kondo, Y. Koike, K. Okamoto, T. Suzumura, and T. Abe, Proc ISPSD

2001., pp.51-54.(2001).

13)O.Haga and M.Kimura,J.Soc.Mat.Sci.36, , pp92-97.(1987).

第

3

3.1 緒 言

前 章 ま で に 、IGBT モ ジ ュ ー ル に 用 い ら れ る セ ラ ミ ッ ク ス 絶 縁 基 板 の 熱 特 性 が 、 IGBT モ ジ ュ ー ル の 熱 特 性 に お よ ぼ す 影 響 に つ い て 調 べ 、ア ル ミ ナ セ ラ ミ ッ ク ス

基 板 の 熱 伝 導 率 の 向 上 、そ し て 銅 回 路 の 厚 み を 厚 く す る こ と が 、モ ジ ュ ー ル 全 体 の 放 熱 性 、 お よ び 破 壊 信 頼 性 の 改 善 に 有 効 で あ る こ と を 示 し た 。

こ れ ま で 、 高 い 放 熱 性 が 要 求 さ れ る パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 製 品 に お い て は 、 比 較 的 熱 伝 導 率 の 高 い 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム が 期 待 さ れ て い る 。し か し 、各 部 材 の 熱 膨 張 係 数 は 、 銅 （ 回 路 ） の 16×10^－6/Kに 対 し て 、 セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 の 場 合 、 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム は 4×10^－6/K、窒 化 珪 素 は 3×10^－6/K、ア ル ミ ナ は 7×10^－6/K と 低 い 。そ の 為 、パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 製 品 の 稼 動 時 の 温 度 変 化 に よ り 、銅 と セ ラ ミ ッ ク ス 接 合 界 面 に 熱 膨 張 係 数 の 差 か ら 応 力 が 発 生 し 、や が て き 裂 が 生 成 し て 破 壊 す る 。一 般 に セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 の 破 壊 靭 性 は 金 属 に 比 べ て 低 い た め 、脆 く 破 壊 し や す い 。そ の た め 、セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 の 破 壊 に 対 し て 大 き な 安 全 保 証 を 確 保 す る た め に 、 例 え ば セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 を 厚 く す る な ど の 材 料 設 計 を 行 っ て い る 。 つ ま り パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 製 品 の 破 壊 信 頼 性 を 向 上 さ せ る た め に 、セ ラ ミ ッ ク ス の 高 靭 性 化 お よ び 高 強 度 化 は 特 に 重 要 な 課 題 で あ る 。機 械 的 特 性 お よ び 絶 縁 特 性 に 優 れ る セ ラ ミ ッ ク ス が 開 発 で き れ ば 、セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 を 薄 く 、そ し て 銅 回 路 を 厚 く 設 計 す る こ と が 出 来 、放 熱 性 も 向 上 す る 。こ れ ま で の と こ ろ 、コ ス ト

面 か ら 窒 化 ア ル ミ ニ ウ ム で な く ア ル ミ ナ が 採 用 さ れ 、 高 強 度 ･高 靭 性 で あ る ジ ル コ ニ ア を 添 加 し た ア ル ミ ナ 基 板 を 用 い て 、セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 を 薄 く 、そ し て 銅 回 路 を 厚 く す る こ と で 高 強 度 お よ び 高 放 熱 化 を 図 る 工 夫 が な さ れ て き た ^{1）, 2)}。

本 章 で は 、ア ル ミ ナ の 微 細 組 織 を 制 御 す る こ と で 、そ の 機 械 的 特 性 を 向 上 さ せ る 方 法 に つ い て 研 究 す る 。具 体 的 な 微 細 組 織 の 設 計 指 針 と し て 、ナ ノ 粒 子 分 散 ア ル ミ ナ 、お よ び 粒 子 配 向 ア ル ミ ナ に つ い て 述 べ る 。最 後 に 、機 械 的 特 性 で あ る 破 壊 靭 性 の 向 上 が 、IGBT モ ジ ュ ー ル の セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 の 重 要 な 特 性 項 目 で あ る 絶 縁 耐 圧 の 向 上 を も た ら す 可 能 性 に つ い て 論 じ る 。

3.2 ナ ノ 粒 子 分 散 ア ル ミ ナ 強 化 機 構

セ ラ ミ ッ ク ス は 、イ オ ン 結 合 や 共 有 結 合 と い う 強 い 原 子 結 合 に よ り 構 成 さ れ て い る た め 、本 質 的 に 脆 性 を 示 す 。そ の 為 、脆 性 を 改 善 し て 高 靭 性 を 有 す る セ ラ ミ ッ ク ス を 作 製 す る こ と は 容 易 で は な く 、従 来 に は な い 新 し い 概 念 に 基 づ い た 材 料 設 計 が 必 要 と な る 。Niihara ら ³⁾の 開 発 し た ナ ノ 複 合 材 料 は 、マ ト リ ッ ク ス 粒 子 内 に ナ ノ サ イ ズ の 第 二 相 粒 子 を 分 散 さ せ る と い う“ 粒 内 ナ ノ 複 合 構 造 ”が 特 徴 で あ り 、こ の 構 造 を 有 す る セ ラ ミ ッ ク ス の 破 壊 靭 性 と 破 壊 強 度 は 大 幅 に 改 善 さ れ る と 期 待 さ れ て い る 。本 研 究 で 微 細 組 織 の 設 計 指 針 の 一 つ と し て い る ア ル ミ ナ 基 ナ ノ 複 合 化 材 料 の 破 壊 強 度 の 改 善 に 関 し て は 、こ れ ま で Niihara ら ³⁾、Zhao ら ⁴⁾、 さ ら に は Borsa ら ⁵⁾の 報 告 が あ る 。ま た 、近 年 で は ナ ノ 微 細 組 織 の 設 計 が 、機 械 的 特 性 の 改 善 と 同 時 に 強 磁 性 な ど の 機 能 的 な 特 性 を 新 た に 付 与 で き る 可 能 性 が

あ る と い う 研 究 も な さ れ て い る ⁶⁾。

図 3-1 は 、(a)ア ル ミ ナ 単 体 お よ び 、(b)ナ ノ 粒 子 粒 内 分 散 ア ル ミ ナ 複 合 材 料 の き 裂 伸 展 の 挙 動 の 違 い を 模 式 化 し た も の で あ る 。ま た 同 時 に 、そ の ナ ノ 粒 子 分 散 複 合 材 料 の 高 強 度 化 お よ び 高 靱 化 機 構 を 示 し て い る 。 ま ず 、(a)の ア ル ミ ナ 単 体 の 場 合 で は 、焼 結 後 に 粒 子 径 の 大 き さ に 依 存 し た 残 留 応 力 が 発 生 す る 。こ の 残 留 応 力 は 、試 料 冷 却 中 の 収 縮 時 に 粒 子 同 士 が 拘 束 し 合 っ て 生 じ る 。つ ま り 、あ る 粒 子 に 引 張 り 応 力 が 生 じ る と 、そ の 隣 り の 粒 子 に は 圧 縮 応 力 が 生 じ る と い う 自 己 平 衡 性 を も ち 、そ れ 故 に 焼 成 後 粒 子 毎 に 潜 在 す る 応 力 は 異 な っ た 値 を と る 。こ の 残 留 応 力 は 、粒 子 径 が ナ ノ 寸 法 の 場 合 に は 超 塑 性 現 象 に よ っ て ほ と ん ど 生 じ な い が 、 粒 径 が 大 き く な る の と 共 に 無 視 で き な い ほ ど の 大 き さ に な る 。

こ こ で 、 図 3-1(a)に 示 す よ う に 、 試 料 の 最 弱 欠 陥 （ 破 壊 の 起 点 と な る ） が 粒 界 三 重 点 に あ る キ ャ ビ テ ィ で あ る と し て 、そ の ま わ り の 粒 子 に 大 き な 引 張 り 残 留

8) 応 力 が 生 じ て い る と す れ ば 、 そ れ ら の 残 留 応 力 の 効 果 に よ っ て 試 料 の 強 度 は 大 幅 に 低 下 す る 。ま た 、き 裂 は 強 度 の 弱 い 粒 界 に 沿 っ て 伸 展 す る た め 粒 界 破 壊 と な る 。一 方(b)に 示 さ れ る よ う に 、第 二 相 粒 子 が マ ト リ ッ ク ス 粒 内 に 存 在 す る と 、 い う い わ ゆ る 粒 内 ナ ノ 粒 子 分 散 構 造 を も つ 材 料 で は 、マ ト リ ッ ク ス 粒 子 と 第 二 相 粒 子 と の 熱 膨 張 差 に よ り 焼 結 後 の 冷 却 過 程 に お い て 、か な り の 大 き さ の 残 留 応 力 が 発 生 す る 。 例 え ば 、 マ ト リ ッ ク ス を α-ア ル ミ ナ 、 第 二 相 粒 子 を SiC や 銅 等 と す る と き 、 約 700℃ 以 上 の 高 温 域 で は 、 第 二 相 と の 界 面 に 生 じ る せ ん 断 応 力 は 、 α-ア ル ミ ナ の 臨 界 分 解 せ ん 断 応 力 ⁸⁾よ り も 大 き く な る こ と が 示 さ れ て い る ⁹⁾。

Fig.3-1 Schematic of the strengthening and toughening mechanisms in nanocompsites.

従 っ て 、そ の 残 留 応 力 に よ り 第 二 相 粒 子 の ま わ り に 転 位 が 生 成 し 、そ れ に よ っ て 加 熱 後 ア ル ミ ナ 粒 子 に 潜 在 し た と み ら れ る 残 留 応 力 は 消 失 す る 。 こ の こ と か ら 、 強 度 の 低 下 を も た ら し た 原 因 と 考 え ら れ て い た ア ル ミ ナ 焼 結 体 内 の 残 留 応 力 が 消 失 し 、そ の 分 だ け 破 壊 強 度 は ア ル ミ ナ 単 体 の 場 合 よ り も 向 上 す る 。ま た 、生 成 し た α-ア ル ミ ナ の 粒 子 内 の 転 位 は 室 温 で は 不 動 転 位 と な る ⁸⁾た め 、 最 弱 欠 陥 か ら 主 き 裂 が 伝 播 す る 場 合 、主 き 裂 先 端 の 高 い 応 力 場 と 転 位 の ま わ り の 小 さ な 応 力 集 中 と の 相 乗 効 果 に よ っ て 微 小 な き 裂（ ナ ノ き 裂 ）の 発 生 の 起 点 と な り 、主 き 裂

(a) Monolithic alumina (b) Nanocomposites

(a) Monolithic alumina (b) Nanocomposites

が そ の 生 成 し た ナ ノ き 裂 を 連 結 す る よ う に 伸 展 す る こ と か ら 、ナ ノ 複 合 材 料 は 粒 内 破 壊 に な る 。ま た 、ナ ノ き 裂 が 多 数 で き る こ と に よ っ て 主 き 裂 先 端 の 臨 界 損 傷 域（ 損 傷 域 ）寸 法 は 大 き く な り 、破 壊 靱 性 は 向 上 す る ⁷⁾。こ の よ う に 、ナ ノ 粒 子 を 分 散 さ せ た ア ル ミ ナ を 作 製 し 、破 壊 強 度 お よ び 靱 性 値 を 測 定 す る こ と で 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 基 板 に 用 い る た め に 必 要 な 機 械 的 特 性 を 有 す る の か 評 価 を 行 う 。さ ら に 、 導 電 性 が 大 き い 、 金 属 粒 子 を 絶 縁 体 の 内 部 に 分 散 さ せ る こ と か ら 、IGBT モ ジ ュ ー ル に 必 要 な 絶 縁 耐 圧 特 性 が ど の よ う に 変 化 す る か も 評 価 す る 必 要 が あ る 。加 え て 、一 般 的 に 熱 伝 導 率 を 下 げ る 不 純 物 を 複 合 化 す る た め 、分 散 さ せ る ナ ノ 粒 子 が 熱 伝 導 特 性 に 与 え る 影 響 に つ い て も 合 わ せ て 評 価 す る 必 要 が あ る 。

3.3 粒 子 配 向 制 御 機 構

一 般 に 、セ ラ ミ ッ ク ス 多 結 晶 体 中 の 各 結 晶 粒 子 の 結 晶 軸 は 通 常 、無 秩 序 に 配 列 し て お り 、焼 結 体 全 体 と し て は 等 方 的 な 電 気 的 、磁 気 的 あ る い は 力 学 的 性 質 を 示 す 。し か し 、何 ら か の 方 法 で 各 粒 子 の 結 晶 軸 の 配 列 を 制 御 し 、特 定 の 方 向 に 揃 え る こ と が で き れ ば 、通 常 の 焼 結 体 と は 異 な っ た 性 質 、特 に 結 晶 の 方 位 に 関 連 す る 高 い 機 能 を 発 現 さ せ る こ と が で き よ う に な る 。 粒 子 を 配 向 さ せ る 手 法 と し て は 、 加 熱 中 に 電 界 を 加 え る な ど 、特 殊 な 装 置 を 用 い る 場 合 も あ る が 、一 般 に は 平 板 状 や 針 状 な ど の 異 方 性 の 大 き な 結 晶 粒 子 を 配 向 制 御 し て 成 形 し 、常 圧 あ る い は 加 圧 し な が ら 焼 結 す る 方 法 と 、単 成 分 あ る い は 多 成 分 を 有 す る セ ラ ミ ッ ク ス 試 料 を 高 温 で 加 熱 し 、融 液 状 態 か ら 一 方 向 に 冷 却 す る こ と で 成 長 結 晶 粒 子 を 揃 え る 一 方 向

凝 固 法 に 大 別 さ れ る 。

前 者 で は 、ろ 過 成 形 、鋳 込 み 成 形 、テ ー プ 成 形 、押 し 出 し 成 形 、あ る い は 圧 延 な ど に よ り 粉 末 中 の 粒 子 を 配 向 さ せ 、さ ら に 配 向 度 の 向 上 と 緻 密 化 の た め に 、ホ ッ ト プ レ ス 等 に よ る 加 圧 焼 結 が 行 わ れ て い る 。ま た 、配 向 性 粒 子 を 適 当 な 有 機 分 散 剤 で 調 製 し た ス ラ リ ー か ら 、ド ク タ ー ブ レ ー ド 法 や テ ー プ キ ャ ス ト 法 な ど に よ り 薄 板 状 の シ ー ト 成 形 体 を 作 製 し 、そ れ を 積 層 し て バ ル ク 化 が 行 わ れ て い る 。こ の 場 合 の 粒 子 の 配 向 度 は 、成 形 時 の 圧 力 や 成 形 体 の 厚 さ に 依 存 す る 。成 形 お よ び 焼 結 時 の 圧 力 が 高 い ほ ど 、ま た 成 形 体 の 厚 さ が 薄 い ほ ど 配 向 度 は 向 上 す る 。例 え ば 、 六 方 晶 系 の ab面 に 粒 子 が 発 達 し た 、 す な わ ち 板 状 粒 子 か ら な り 、 そ れ が 一 方 向 に 並 ん だ 微 細 組 織 を も つ 焼 結 体 の 強 度 は 異 方 性 を 示 す こ と が 知 ら れ て い る 。 等 方 的 な 焼 結 体 に 比 べ 、結 晶 粒 子 が ab 面 に 発 達 し た（ 広 が っ た ）板 状 粒 子 が ab 面 方 向 に 配 向 し て い る 焼 結 体 の 場 合 、ab 面 に 直 角 方 向 の 強 度 は 配 向 度 の 増 加 と と も に 増 大 し 、 他 方 ab 面 に 平 行 方 向 の 強 度 は 低 下 す る 。 破 壊 靱 性 は 、aｂ 面 に 垂 直 な 方 向 か ら の 荷 重 に 対 す る 破 壊 靭 性 は 平 行 な 方 向 か ら の 荷 重 の 場 合 よ り も 高 く な る 。 ま た 、 熱 伝 導 率 に お い て は 、ab 面 に 平 行 方 向 の 熱 伝 導 率 が 向 上 す る と の 報 告 が あ り ¹⁰⁾、 微 細 粒 子 を 配 向 さ せ た ア ル ミ ナ を 作 製 で き れ ば 、 破 壊 強 度 や 破 壊 靱 帯 を 制 御 で き 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 要 求 性 能 を 満 足 さ せ る 特 性 を 発 現 す る 可 能 性 が あ る 。

一 方 、凝 固 法 に は 帯 域 溶 融 法 、結 晶 引 き 上 げ 法 、ブ リ ッ ジ マ ン 法 、そ の 他 温 度 勾 配 付 除 冷 法 な ど が あ る 。融 液 か ら 単 純 に あ る 単 一 成 分 の 組 成 物 が 凝 固 す る 場 合 、

あ る い は そ の 近 傍 で の 組 成 で は 、伸 張 方 向 が 特 定 の 結 晶 学 的 方 向 に 揃 っ た 一 種 の 配 向 性 多 結 晶 体 が 得 ら れ る 。融 液 の 組 成 が 共 晶 組 成 あ る い は そ の 近 傍 の 組 成 の 場 合 に は 、2 種 類 の 薄 板 状 結 晶 が 交 互 に 平 行 に 並 ぶ か 、あ る い は 針 状 結 晶 が 別 の 結 晶 中 に 平 行 に 並 ん だ 配 向 性 多 結 晶 体 が 得 ら れ る こ と が あ る 。凝 固 体 の 組 成 は 、融 液 の 組 成 、温 度 勾 配 、凝 固 速 度 な ど の 条 件 に よ っ て 影 響 さ れ る 。し か し 、一 般 に セ ラ ミ ッ ク ス の 融 点 は 高 く 、配 向 性 の 微 細 粒 子 か ら な る 多 結 晶 体 を 作 製 す る た め に は 、 高 い 冷 却 技 術 と 高 い エ ネ ル ギ ー が 要 る た め に 一 般 的 で は な い 。

3.４ 絶 縁 耐 圧 と 機 械 強 度 特 性 の 関 係

絶 縁 耐 圧 と 破 壊 靭 性 と の 関 係 は 、 鈴 木 ら ¹¹⁾に よ り 報 告 さ れ て い る 。 彼 ら は 、 固 体 絶 縁 体 表 面 お よ び 内 部 に 存 在 す る 亀 裂 上 の 欠 陥 近 傍 の 電 界 集 中 に つ い て 破 壊 力 学 と の 相 似 性 の 検 討 を 実 施 し 、電 界 拡 大 係 数 Mを 次 式 3-1 に よ り 定 義 し た 。

(

ここで、YMは電極の形状と境界条件により決定される形状パラメータ、E0 は無限遠方にあ る一様電界、aは扁平電極の代表寸法である。

一方、応力拡大係数KIは次式3-2にて示される。

σ

(

)

ここで Yk は応力拡大係数に関する形状パラメータ、σは無限遠応力、a は亀裂の代表寸法 である。

ここに鈴木ら^11）はY_M とY_kの関係を式3-3に提案している。

π

式3-1、式3-2および式3-3から、応力拡大係数KIと電 界 拡 大 係 数 M と の 間 に は 式 3-4 の 関 係 が 成 り 立 つ 。

つまり、高靭性および高強度を持つセラミックスは高絶縁耐圧を持つとの関係を導くことが できる。つまりIGBTモジュールに用いるセラミックスにおいて絶縁耐圧の向上には、高靭 化、および高強度化が重要であることがわかった。

3.5 ま と め

本 章 で は 、IGBT モ ジ ュ ー ル に 用 い る セ ラ ミ ッ ク ス 基 板 の ア ル ミ ナ の 機 械 的 特 性 を 向 上 さ せ る た め に 、そ の 微 細 組 織 を 制 御 す る 方 法 に つ い て 、主 に ２ つ の 方 法 を 検 討 し た 。

1)ナ ノ 粒 子 分 散 ア ル ミ ナ 強 化 複 合 材 料 に お い て 、こ れ ま で に 研 究 さ れ た ナ ノ 粒 子

強 化 機 構 か ら 、IGBT モ ジ ュ ー ル の 性 能 の 向 上 に 役 立 て る 微 細 組 織 で あ る と 判 断 さ れ た 。破 壊 強 度 特 性 以 外 に 、IGBT と し て 実 際 に 使 用 す る た め に は 、熱 伝 導 特 性 お よ び 絶 縁 耐 圧 な ど 、 あ ら た な 特 性 に 関 す る 評 価 が 同 時 に 必 要 で あ る 。

2)粒 子 配 向 ア ル ミ ナ 焼 結 体 は 、機 械 的 特 性 、と く に 破 壊 靭 性 の 向 上 に 効 果 が あ る

と 期 待 さ れ る 。 し か し 、 熱 伝 導 特 性 お よ び 絶 縁 耐 圧 特 性 に つ い て は 未 知 で あ り 、

IGBT モ ジ ュ ー ル と し て 必 要 と さ れ る 高 い 熱 伝 導 率 お よ び 絶 縁 耐 圧 特 性 が 得 ら

れ る の か 、 評 価 す る 必 要 が あ る 。

3)破 壊 靭 性 の 向 上 が 、 同 時 に 絶 縁 耐 圧 を 向 上 さ せ る こ と の 可 能 性 が あ る 。

参 考 文 献

1)Y.Nishimura, K.Oonishi, A.Morozumi, E. Mochizuki, and Y.Takahashi.,Proc of ISPSD.2005, pp.79-82(2005).

2)Y.Nishimura, K.Oonishi, and, E. Mochizuki., FUJI ELECTRIC REVIEW.52, pp.58 (2006).

3)K.Niihara., J.Ceram.Soc Japan, 99, pp.974-982 (1991).

4)J.Zhao, L.C.Steans, M.P.Harmer, H.M.Chan,G.A. Miller and R.F.Cook, J.Am.

Ceram.Soc.,76,503-10(1993).

5)C.E.Borsa, S.Jiao, R.I.Todd and R.J.Brook, J.Microscopy (Oxford, United Kingdom),177(3), pp305-12(1995).

6) H.Kondo, T.Sekino, N.Tanaka, T.Nakayama, T.Kusunose, and K.Niihara, J.Am.

Ceram.Soc.,, 88, pp1468-1473(2005).

7) H.Awaji, S-M.Choi, and E.Yagi, MECHANICS OF MATERIALS.,34, pp.411-422 (2002).

8) K. P. D. Lagerlöf, A. H. Heuer, J. Castaing, J. P. Rivère, and T. E. Mitchell, J.Am.

Ceram.Soc.,77,pp385-397 (1994).

9) S-M. Choi and H. Awaji, Science and Technology of Advanced Materials,pp2-10.(2005).

10) Y.Okamoto,N.Hirosaki,M.Ando,F.Munakata,Y.Akimune，J. Ceram. Soc. Jpn.，105， 631-633(1997）.

11) Y. Suzuki, Y. Matsuo, K. Yasuda and S. Kimura., J. Ceram. Soc. Japan, 100, 59-65 (1992).

第４章

Ni

4.1 緒言

第3章において、ナノ粒子分散アルミナの機械的特性の強化機構について述べた。これら のナノ複合材料は、アルミナセラミックスにナノサイズの金属粒子が分散した構造を有して いる。そのためナノ粒子分散複合材料のマクロ物性値は第二相のナノ粒子の大きさやその量、

さらにはその存在箇所の影響を受けることが予想される。一般のセラミックス複合材料にお いて強度および靭性値については、第二相の添加量の影響を受けるという研究報告がある^1)-3）。 また、熱伝導率と熱膨張率は、添加した金属粒子の影響を受けることが報告されている^4),5)。 しかし、ナノ粒子第二相の存在箇所が、例えば主相（アルミナ）の粒内に存在するのか、あ るいは粒界に存在するのかが、複合材のマクロ物性におよぼす影響については明確になって いない。

本章では、実際に溶液浸漬法⁶⁾を用いてNiナノ粒子分散アルミナ複合材料を作製した。そ の場合に、出発原料のアルミナの種類、およびナノサイズのニッケル(Ni)粒子を種々の割合 で添加した試料を作製した。また、同一のNi添加量に対し、Niナノ粒子の存在箇所を変化 させたアルミナ基ナノ複合材料を作製した。それらの機械的特性の評価を行い、Niナノ粒子 の添加量およびその存在場所が機械的特性におよぼす影響について明らかにした。さらに、

セラミックス絶縁回路基板に用いる場合に重要な特性である熱特性についても評価した。加 えて、導電性をもつナノ金属粒子をセラミックスに添加することにより、セラミックス基板 の絶縁耐圧の低下が懸念される。絶縁体に対して十分に小さい導電体粒子を添加した場合に