ナノソルダー接合材料、低温接合で耐熱200℃を両立：パワー半導体の組み立てに適用

パナソニック ホールディングスは、東北大学や大阪教育大学、秋田大学、芝浦工業大学と共同で、低温かつ短時間での接合と、耐熱200℃を両立させた「ナノソルダー接合材料」を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

低融点金属粒子と高融点金属粒子を組み合わせた固液反応を利用

　パナソニック ホールディングスは2022年6月、東北大学や大阪教育大学、秋田大学、芝浦工業大学と共同で、低温かつ短時間での接合と、耐熱200℃を両立させた「ナノソルダー接合材料」を開発したと発表した。GaN（窒化ガリウム）やSiC（炭化ケイ素）をベースとするパワー半導体の組み立て工程などに適用していく。

開発したナノソルダー接合材料の外観 出所：NEDO

　パナソニック ホールディングスは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が進める「戦略的省エネルギー技術革新プログラム」で「ナノソルダー実用化による製造プロセス省エネ化技術の開発」に取り組むプロジェクトの中で、パワー半導体に向けた新規はんだ材料の開発に取り組んできた。

　開発したナノソルダー接合材料は、直径が10μm以下の低融点金属マイクロ粒子と、直径が数百nm以下の高融点金属ナノ粒子を組み合わせた複合材料。低融点金属マイクロ粒子を導入したことで、固相（高融点金属ナノ粒子）の拡散速度が速くなり、接合反応を短時間で完了させることができるという。その時間は銀ナノペーストなど従来の焼結材料に比べ約半分となった。

　また、ナノソルダー接合材料で用いる金属粒子を、低消費電力で効率よく製造するための装置も開発した。これにより、超音波キャビテーションが発生する高温高圧の反応場を活用し、バルク金属（純金属塊）からトップダウン方式で金属粒子を作製することが可能となった。

ナノソルダー接合材料における反応メカニズムのイメージ 出所：NEDO

　ナノソルダー接合材料を用いた接合について、接合前後の示差走査熱量を測定し検証を行った。この結果、接合前の吸熱ピークは200℃以下であり、200℃の低温プロセスで接合できることが分かった。接合後は200℃以下の吸熱ピークが消失した。このことは、構造体が高融点化していることを示すものだという。

　接合後の構造体を電子顕微鏡で確認した。銅とスズの高融点金属相に、銅とビスマスの孤立相が分散しており、設計通りの状態だという。接合構造体は、−40℃／175℃の温度サイクル試験もクリアできることを確認した。

左は接合前後で測定した示差走査熱量の結果、右は接合後の電子顕微鏡断面写真 出所：NEDO

　パナソニック ホールディングスは今後、開発したナノソルダー接合材料について、電子デバイスの組み立て工程における作業性などを改善し、2022年12月ごろからサンプル出荷を始める予定だ。