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高温対応パッケージ（銀シンター接合など）の技術

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300°Cという極高温下では、従来の電子機器パッケージングで使われていた材料（ハンダや樹脂）のほとんどが溶融するか、著しく劣化してしまいます。そのため、4H-SiC MOSFETの能力をフルに引き出すには、**「接合材」「基板」「配線」「封止」**のすべてにおいて革新的な技術が投入されています。

1. ダイアタッチ技術：銀シンター（銀焼結）接合

300°C環境において、従来の「ハンダ」に代わる本命技術が**銀シンター（Ag Sintering）**です。

  • 技術の仕組み：

    銀の微粒子（ナノ〜ミクロンサイズ）をペースト状にし、加熱と加圧（または無加圧）によって焼き固める技術です。

  • なぜ300°Cに耐えるのか：

    接合時の温度は200°C〜300°C程度ですが、一度接合されると「純銀」に近い状態になります。銀の融点は 961°C と非常に高いため、300°Cの動作環境下でもビクともしません（これを高再溶融温度特性と呼びます）。

  • その他のメリット：

    • 高放熱性： 熱伝導率が150〜300 W/m・Kと非常に高く、ハンダ（50 W/m・K程度）の数倍効率よく熱を逃がせます。

    • 高信頼性： 熱膨張の繰り返しに対する耐性（パワーサイクル寿命）がハンダより圧倒的に長いです。

2. 高耐熱基板：セラミック基板 (AMB/DBC)

基板には、絶縁性と高い熱伝導率、そして熱膨張係数がSiCに近いことが求められます。

  • 窒化ケイ素 (Si3N4)： 機械的強度が非常に高く、熱サイクルによる割れに強いため、300°C環境のような過酷な熱ストレスがかかる用途で主流です。

  • 窒化アルミニウム (AlN)： 熱伝導率が極めて高く、放熱性を最優先する場合に選ばれます。

  • AMB (Active Metal Brazing)： セラミックに銅箔を焼き付ける技術。300°Cでも剥離しにくい強固な接合が可能です。

3. 配線技術：アルミから「銅」や「金」へ

チップ表面と端子を結ぶワイヤボンディングも、300°Cでは大きな課題となります。

  • 従来のアルミワイヤの限界： 300°Cではアルミが軟化し、熱膨張の差で接合部が剥がれる（リフトオフ）現象が起きやすくなります。

  • 次世代の選択肢：

    • 銅 (Cu) ワイヤ/リボン： アルミよりも融点が高く、電気抵抗も低いため、大電流・高温動作に適しています。ただし、チップ表面の電極も銅にする必要があります。

    • 金 (Au) ワイヤ： 酸化に強く、極高温でも安定していますが、コストが課題となります。

4. 封止技術：樹脂からセラミック・気密封止へ

一般的なエポキシ樹脂（モールド樹脂）は200°Cを超えると炭化・分解してしまいます。

  • セラミック・ハーメチックシール：

    チップをセラミック製のパッケージに入れ、内部を窒素などの不活性ガスで満たして金属の蓋で溶接（気密封止）します。300°Cでも材料の劣化がなく、酸素による電極の酸化も防げるため、最も信頼性が高い方法です。

  • 高温用ポリイミド/シリコン：

    一部の特殊な柔軟性のある樹脂も研究されていますが、300°Cでの長期信頼性は依然として大きな挑戦となっています。

技術の比較まとめ

構成要素 従来のパッケージ (〜175°C) 高温対応パッケージ (〜300°C以上)
接合材 鉛フリーハンダ (SAC305など) 銀シンター、TLPB（過渡液相接合）
基板 アルミナ＋銅箔 (DBC) 窒化ケイ素＋厚銅箔 (AMB)
配線 アルミ太線ワイヤ 銅ワイヤ、銅リボン、金ワイヤ
封止 エポキシ樹脂モールド セラミック気密封止、耐熱ポリイミド

 

 

出典：Google Gemini

 

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