エレファンテック、無加圧接合に対応したパワー半導体向け接合材SAphire™ D02を開発 加圧低温接合に続いて無加圧低温接合を実現し、プロセス自由度を向上

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開発の背景

これまで、パワー半導体チップと放熱基板の接合（ダイアタッチ）には、半田が用いられてきました。一方で半導体チップのハイパワー化・高発熱化が進む中、半田接合では再溶融のリスクや熱伝導の低さによる放熱不足などの課題が顕在化しています。半導体のハイパワー化の制約を解消する次世代接合ソリューションとして、高温度域においても再溶融等のリスクが無く、強固な接合を維持し、かつ熱伝導率の高い「焼結接合材料」が求められています。

そのニーズに応えるため、当社は2026年3月27日、ダイアタッチ向けの低温焼結型銅ナノペーストSAphire™ Dを発表致しました。これは銅ナノ粒子の自己組織化という独自の原理を用いることで、銅ナノ粒子の添加量が極めて少量であるにも関わらず低温焼結性を発現する画期的な材料です。

一方でダイアタッチ用銅ナノペーストの次なるロードマップとして、「無加圧プロセス化」がありました。通常、銅ナノペーストを用いた低温焼結のダイアタッチでは、十分な強度を実現するために半導体チップを加圧しながら焼結する加圧接合プロセスが必須であることが多く、当社が既に発表した銅ナノペーストも加圧接合向けを前提としていました。加圧接合は既存工程でも用いられる一般的なプロセスでありますが、当然ながら加圧が必要ない方がプロセスの自由度も上がるため望ましいとされています。

そのため当社でも、加圧接合を前提とした銅ナノペーストに加えて、無加圧接合用銅ナノペーストを並行して開発してきましたが、この度、無加圧接合で十分な強度を実現する新材料の開発に成功しました。

■ 無加圧焼結 vs 加圧焼結の簡易プロセスフロー図

SAphire™ D02の性能

今回、当社はSAphire™ Dの技術コンセプトをさらに進展させ、無加圧条件でも銅粒子同士の焼結ネットワークを形成しやすい材料設計を進めました。銅粒子間に焼結起点を効率的に形成し、加圧による外部応力に依存せず、接合界面およびペースト内部で緻密な焼結構造を形成することを目指しました。

温度ごとの接合強度を図に示します。これらのグラフはCu基板に対して、Cuを接合した場合と、Ti/Au処理のSiチップを接合した場合の結果で、焼結時間は60分です。SAphire™ D01は2026年3月27日に発表した当社の加圧焼結用銅ナノペーストです。Fig.1のSi/Ti/AuとCuとの接合に着目すると、加圧焼結用銅ナノペーストD01では無加圧では250 °Cでわずか1.6 MPaの強度しか得られていないのに対し、無加圧焼結用の新組成であるSAphire™ D02では良好な強度が得られていることが分かります。半田同等の20 MPa前後を一つの基準とすると、Cu-Cuでは200 °Cで、Si/Ti/Au-Cuでは250 °C無加圧焼結で達成できることになります。またFig.2では、ギ酸雰囲気ではなく窒素雰囲気での無加圧焼結でも、温度を280 °Cまで上げることで、十分な接合力を得られることが分かります。

■ 無加圧接合プロセスフロー図

無加圧接合の実現による効果

今後の展開

低温焼結型銅ナノペーストSAphire™ Dシリーズは、既に世界の主要なパワー半導体メーカーにおいて、ダイアタッチ材及びTIM用途でのサンプル評価を開始しています。今回の成果を踏まえ、今後は量産プロセス適用に向けた取り組みを一層加速してまいります。

銅ナノペーストSAphire™は、これからの半導体の進化の最大のボトルネックである熱の問題の解決に貢献するキー技術であり、パワーモジュール内部の複数接合界面や高放熱・高耐熱性が求められる電子部品、光デバイス、AIコンピューティング関連デバイスなどを対象に、さらなるデバイス性能向上に貢献してまいります。