パワー半導体デバイスダイアタッチ接合部の疲労き裂ネットワーク破壊寿命予測法の確立

功率半导体器件芯片连接疲劳裂纹网络断裂寿命预测方法的建立

• 批准号: 21K04182
• 负责人: 苅谷 義治
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Shibaura Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04182/
• 关键词: ダイアタッチ; パワーサイクル; パワーモジュール; 熱疲労; 熱疲労破壊; 等2軸応力; パワー半導体デバイス; 疲労

最近，パワー半導体デバイスのパワーサイクル試験において，ダイアタッチ接合部で疲労き裂がネットワーク状に連結する破壊が報告されている．Sn基合金系ダイアタッチにおけるこの破壊に関しては，等2軸応力を駆動力とする破壊機構が解明されつつあるが，近年開発が進むAg粒子焼結接合に関する等2軸応力疲労破壊の研究は皆無である．Ag粒子焼結により接合されたダイアタッチの寿命予測には等2軸応力熱疲労試験による破壊解析が必要である．本研究では，短周期パワーサイクル試験同様の応力負荷を与えるダイアタッチ材料の等2軸応力熱疲労試験方法を提案し，等2軸応力下におけるAgナノ粒子焼結体の熱疲労破壊挙動を調査した．本研究で提案する等2軸応力熱疲労試験を実施した結果，Agナノ粒子焼結体全域において，パワーサイクルにおける破壊同様，鉛直方向のき裂発生が観察された．この疲労破壊は逆位相型の疲労であり，Agナノ粒子焼結過程において導入された欠陥から降温時における等2軸引張応力を駆動力としてき裂が発生，また，き裂が開口，進展することにより破壊が進行することがわかった．別途実施した単軸機械疲労により得られた疲労き裂進展試験から得れたき裂進展則より導出した平滑剤の疲労き裂発生則と高速温度サイクル試験の寿命を比較したところ，高速温度サイクル試験の寿命は，等2軸応力と欠陥の有害性を考慮すれば，高温域（373K以上）の単軸機械疲労寿命と同等であると解釈される．これらのことから，パワー半導体ダイアタッチにAgナノ粒子焼結接合を適用した場合のパワーサイクル寿命は，単軸の高温側の機械疲労寿命則に2軸度および欠陥の影響を考慮すれば，予測可能となる知見が得られた．

Recently, the semiconductor industry has been trying to improve the quality of its products. The Sn-based alloy system has been reported to have the same two-axis force as the dynamic force. In recent years, the development of Ag particle sintering bonding related to the study of 2-axis fatigue failure has not been achieved.Ag particle sintering bonding life prediction, such as 2-axis thermal fatigue test, failure analysis is necessary. In this study, a method of thermal fatigue test under equal 2-axis stress was proposed to investigate the thermal fatigue behavior of Ag particles sintered under equal 2-axis stress. In this study, the results of 2-axis thermal fatigue test were obtained. The results show that the Ag particles sintered body has the same structure in the whole region, and the crack growth in the vertical direction is observed. This fatigue is reversed phase fatigue. Ag particles are introduced during sintering process. When the temperature is lowered, 2-axis tensile force is applied. Crack is generated. Crack is opened. Progress is made. The fatigue life of the single-axis mechanical fatigue test in the high temperature range (above 373K) is compared with that of the single-axis mechanical fatigue test in the high temperature range (above 373K). For example, if a semiconductor material is sintered, it may be possible to predict the mechanical fatigue life of the single axis at high temperature.

项目成果

繰り返し等2軸熱応力下におけるダイアタッチ材料の破壊挙動観察

重复双轴热应力下芯片粘接材料断裂行为的观察

• 发表时间: 2022
• 作者: Mohamed M. Mansour;Masaya Murakami;Shota Torigoe;Shuya Yamamoto;Haruichi Kanaya;石原奨，苅谷義治，阿部慶樹，佐々木幸司
• 通讯作者: 石原奨，苅谷義治，阿部慶樹，佐々木幸司

等2軸応力下におけるSn-3.0Ag-0.5Cuはんだの熱疲労破壊

等双轴应力下 Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊料的热疲劳失效

• 发表时间: 2021
• 作者: S. Tanaka;E. Tsuji;阿部慶樹，苅谷義治
• 通讯作者: 阿部慶樹，苅谷義治

Thermal Fatigue Fracture Behavior of Sintered Ag Nanoparticles under Equibiaxial Thermal Stress

等双轴热应力下烧结银纳米粒子的热疲劳断裂行为

• DOI: 10.1299/jsmemecj.2022.j011-07
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Proceedings of Mechanical Engineering Congress, Japan
• 作者: 石原 奨;苅谷 義治;佐々木 幸司
• 通讯作者: 佐々木 幸司

等2軸応力下におけるAgナノ粒子焼結体の熱疲労破壊挙動

等双轴应力下Ag纳米颗粒烧结体的热疲劳断裂行为

• 发表时间: 2022
• 作者: S. Tanaka;H. Asami;T. Suzuki;髙野研究室;石原 奨，苅谷 義治，佐々木 幸司
• 通讯作者: 石原 奨，苅谷 義治，佐々木 幸司