パワーデバイスの温度上昇が接合と放熱構造の変革を促す：福田昭のデバイス通信（431） 2022年度版実装技術ロードマップ（55）（1/2 ページ）

今回は、「パワーデバイスにおける接合材料の現状と課題」の概要を紹介する。

[福田昭，EE Times Japan]

パワーデバイスの接合における課題は「信頼性」と「放熱」

　電子情報技術産業協会（JEITA）が3年ぶりに実装技術ロードマップを更新し、「2022年度版　実装技術ロードマップ」（書籍）を2022年7月に発行した。本コラムではロードマップの策定を担当したJEITA Jisso技術ロードマップ専門委員会の協力を得て、ロードマップの概要を本コラムの第377回からシリーズで紹介している。

　前々回から、第2章第6節第6項「2.6.6　接合材料」の説明を始めた。この項は以下の項目によって構成される。「2.6.6.1　接合材料の種類と特徴」「2.6.6.2　SMTにおける接合材料の現状と課題」「2.6.6.3　パワーデバイスにおける接合材料の現状と課題」「2.6.6.4　鉛フリー化」「2.6.6.5　先端半導体パッケージ分野における接合材料の現状と課題」「2.6.6.6　まとめと今後の動向」である。

　前回は、「2.6.6.2　SMTにおける接合材料の現状と課題」の概要を解説した。今回は、「2.6.6.3　パワーデバイスにおける接合材料の現状と課題」の概要をご紹介する。

第2章第6節第6項「接合材料」の主な目次。「2022年度版　実装技術ロードマップ」（書籍）から筆者がまとめたもの［クリックで拡大］

　「2.6.6.3　パワーデバイスにおける接合材料の現状と課題」は以下の2つの項目、（1）「高信頼性化」、（2）「高熱伝導化」（高放熱化）で構成される。（2）「高熱伝導化」はさらに、（a）「放熱面積の拡大」、（b）「接合材料の高熱伝導化」、（c）「接合プロセス」に分かれる。

パワー半導体の「ワイドギャップ化」で動作温度が上昇

　パワーデバイスの半導体材料は従来、シリコン（Si）が主流だった。最近ではワイドバンドギャップ（WBG：Wide Band Gap）半導体と呼ばれる、シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのエネルギーバンドギャップがSiよりも広い材料が、パワーデバイスに普及しつつある。

　WBG半導体デバイスはSi半導体デバイスに比べ、絶縁破壊電界強度（耐圧）が高い、オン抵抗が低い、動作温度を高くできる、といった優位性を備える。一方で動作温度の上昇は、現在使われているSAC系鉛フリーはんだの融点に近づくことを意味する。そこで耐熱性の高い接合材料へのニーズが高まっている。

パワーデバイスにおける接合材料の比較［クリックで拡大］ 出所：JEITA　Jisso技術ロードマップ専門委員会（2022年7月7日に開催された完成報告会のスライド）

　具体的にはSiパワーデバイスの動作温度領域が150℃〜175℃であるのに対し、SiCおよびGaNのパワーデバイスは動作温度領域が175℃〜250℃と高くなる。半導体のダイと下地を接続するダイアタッチメント（ダイボンディングあるいはダイマウントとも呼ぶ）の材料が、特に高い耐熱性を求められる。

　WBGパワーデバイスのダイボンディングには、鉛（Pb）の比率を高めたSn-Pb合金の高温はんだが使われてきた。ただし有害な鉛（Pb）を多く含むため、環境負荷が問題となる。そこで、焼結型接合材料が高Pbはんだに代わる接合材料として期待されている。