No.20-9 日本機械学会熱工学コンファレンス 2020 講演論文集〔2020.10.10-11, オンライン開催〕 Copyright©2020 一般社団法人 日本機械学会
高熱流束環境における銀ナノ粒子を含む銀ペーストの接触熱抵抗評価
Evaluation of Thermal Contact Resistance in Nano-Silver Paste under High Heat Flux
○学 丹羽 勇斗（山口東理大） 正 木伏 理沙子（山口東理大）
正 結城 和久（山口東理大） 正 海野 德幸（山口東理大）
正 畠山 友行（富山県立大）
Hayato Niwa1, Risako Kibushi1, Kazuhisa Yuki1, Noriyuki Unno1 and Tomoyuki Hatakeyama2 1 Sanyo-Onoda City University, Sanyo-Onoda, Yamaguchi, 756-0884, Japan
2 Toyama Prefectural University, Imizu, Toyama, 939-0398, Japan
Key Words: Thermal Contact Resistance, Ag-paste, High Heat Flux
1. 緒言 次世代パワー半導体として SiC (シリコンカーバイド) や GaN (ガリウムナイトライド) などが注目されている．これらを用 いたパワー半導体ダイは高性能・小型であり，高温での駆動を可能としている．そのため，高熱流束かつ高温下での利 用が期待され，デバイスを構成する半導体ダイ以外の材料も高熱流束・高温下での利用が求められる．このような環境下 におかれる電子機器の信頼性を担保するためには，正確な熱設計が求められ，各材料接触部に発生する接触熱抵抗の 把握が非常に重要である(1)．しかし，接触熱抵抗は被接触材料の材質，面性状，接触圧力等の多くの因子が存在する． 本研究では，次世代パワー半導体デバイスのダイボンディング材として期待されるナノ粒子を含む銀ペーストに着目し， 被接触材料が銅である場合の高熱流束・高温での熱抵抗評価を定常法により評価した． 2. 接触熱抵抗測定装置及び評価方法 本実験では，定常法により接触熱抵抗を測定する．実験装置の試験部は，無酸素銅製であり，上部の加熱側ロッドと 下部の冷却側ロッドから構成されている．直径 mm の上下ロッド間にナノ粒子を含む銀ペーストを塗布し，接触熱抵 抗を測定する．上下ロッド共に土台は円錐形状を有しており，熱を縮流させることで試験部における高熱流束が達成され る．ロッド部中心軸上の 3 点を K 型熱電対により温度測定し，計測された温度から伝熱面温度を予測し，フーリエの法則 から熱流束を算出する．本実験ではヒーターへの投入電力を 10 V 間隔で上昇させ，各電圧において定常時の温度を測 定する．ここで，焼結過程での熱抵抗低減効果を評価するため，ペースト状態と焼結状態において熱抵抗を測定する． 3. 結果とまとめ，および今後の方針 図 1 に上下ロッドの平均熱流束と熱抵抗の関係を示す．マイナスを示しているのは，測定誤差による影響である．ペー スト状態の場合，150 W/cm2と 250 W/cm2で熱抵抗が急激に減少して いる．これは銀ペーストの有効熱伝導率が上昇したためである．今回 使用した銀ペーストには粒子径の異なる銀粒子が充填されており，粒 子径の違いにより焼結温度が異なるため，温度の上昇に伴い段階的 に伝熱経路を形成していったと考えられる．この結果より，焼結が不十 分である場合，熱抵抗が非常に高くなることを示唆している．十分に 焼結された場合(●)では，熱抵抗はほぼ一定であり，250 W/cm2の高 い熱流束を超えても，低熱抵抗が保たれることが明らかとなった．しか し，接触圧力が焼結状態に影響を与えることが予想されるため，今後 は接触圧力が熱抵抗へ与える影響を評価する． 参考文献 (1) 木伏理沙子, 伝熱, Vol 59, No 246, (2020), 14-18． 100 200 300 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Heat flux [W/cm2] T he rm a l re si st a nc e [W /K ] Pasty-state Sintered-state
Fig.1 Relationship between average heat flux and thermal resistance
