SiC・GaNパワーデバイスおよびLED向け高耐熱・低抵抗ダイボンドの接合技術と実用ポイント

はじめに

SiC（シリコンカーバイド）やGaN（ガリウムナイトライド）といったパワーデバイスは、エネルギー効率向上やコンパクト化のニーズを背景に注目を集めています。
これらの先進的な素材は、特に電動車両、再生可能エネルギー、データセンターといった高負荷環境においてその効果を発揮します。
その中で重要度を増しているのが、SiCやGaNの効果を最大限に引き出すための基板との接合技術です。
本記事では、高耐熱・低抵抗ダイボンドの接合技術とその実用ポイントについて解説します。

ダイボンドの役割と必要性

ダイボンドは、半導体デバイスのチップとパッケージ基板を物理的に固定し、電気的に接続するための重要な工程です。
特にSiCやGaNデバイスは高温環境下で動作することが多く、耐熱性に優れた接合技術が求められます。
適切なダイボンド技術は、デバイスの長寿命化や性能向上に繋がるため、その重要性は非常に高いです。

高耐熱性の重要性

SiCやGaNデバイスが活躍する場所は、高温・高電圧領域です。
そのため、接合部も耐熱性に優れていなければなりません。
耐熱性の低い接合剤を使用すると、熱膨張の差によってクラックが発生し、デバイスの故障につながるリスクがあります。
したがって、ダイボンドには耐熱性を持たせることが必要不可欠です。

低抵抗の利点

低抵抗な接合は、電流の流れをスムーズにし、デバイス全体の効率を向上させます。
抵抗が高いと無駄な発熱が発生し、それがデバイスの寿命や効率に悪影響を及ぼす可能性があります。
特に電流が大量に流れるパワーデバイスでは、この低抵抗化が一層求められるのです。

接合技術の種類と選定基準

ダイボンドの接合技術は多岐にわたります。
その中でも代表的なものをいくつか紹介し、それぞれのメリット・デメリットについて分析します。

共晶はんだ接合

共晶はんだ接合は、長年にわたり使用されてきた手法で、その信頼性から現在も広く用いられています。
209～250℃で溶解するスズ-鉛合金が一般的ですが、鉛フリーの合金も開発されています。
メリットは加工しやすく、接合強度に優れていること。
一方、問題点としては高温環境での耐久性に限界があり、特に鉛フリー合金は接合時のクラックが課題です。

Agシンタリング接合

Ag（銀）シンタリングは、ナノサイズの銀粒子を高温・高圧で固化させる手法です。
120℃程度の低温で接合可能でありながら、耐熱温度は著しく高いことが特徴。
高温における信頼性が非常に高く、近年の加熱するデバイス進化に対応できる技術として注目されています。
しかし、接合プロセスが複雑で高コストである点が制約となります。

導電性接着剤（ECA）

導電性接着剤は、有機材料に導電性のフィラーを加えた接合手法です。
常温でも高温でも接合可能で、柔軟性に富むため、サーマルストレスを吸収しやすい特徴があります。
一方で、一般には抵抗値が高く、特に高周波特性が求められる場合には制限があるため、適用範囲を考慮が必要です。

実用化におけるポイント

これら接合技術の選定と実用化にあたっては、いくつか考慮すべきポイントがあります。

動作環境の考慮

まず、デバイスが設置される環境や運用条件を考慮する必要があります。
高温が予想される環境では、Agシンタリングなどの耐熱性に優れた手法が適しています。
一方で、柔軟性が必要な場所では導電性接着剤が有効です。

コストと製造プロセス

次に、コストや製造のしやすさも考慮の一つです。
共晶はんだはコストが比較的低い一方、Agシンタリングは高価であるため、量産化のメリットを見極めた選択が求められます。

長期信頼性

長期的な信頼性は、業界標準に沿った試験を通じて確認されなければなりません。
特に、熱サイクル試験や高温高湿試験を行い、耐久性の側面を十分検証することが重要です。

まとめ

SiCやGaNといった先進的なパワーデバイスの恩恵を受けるためには、高耐熱・低抵抗なダイボンド技術が不可欠です。
製造現場においては、デバイスの用途や適用環境を踏まえた技術選定と、確実な接合技術の実装が求められます。
特に、耐熱性・抵抗の観点から選定した技術が、製造現場でどのように効果を発揮するのか、そのプロセスを詳細に把握しておくことが重要です。
これにより、製造効率の向上やデバイスの信頼性の確保、さらにはコスト効果の最適化を図ることができるでしょう。

今後もSiC・GaNデバイスの需要はますます高まるでしょう。
それに伴い、接合技術の進化も期待されます。
これらの動向を注視しながら、自社の製造プロセスに最適な技術を取り入れ、業界の成長に寄与していきましょう。