未来を切り拓く半導体実装技術
パワエレ信頼性のカギ

山中　公博　工学部教授

　脱炭素社会に向けて、パワーエレクトロニクス（パワエレ）が着目されている。自動車はガソリンから電気へ、発電は再生可能エネルギへの移行を加速している。デジタル社会を支えるデータセンターは、グリーンエネルギ化を進めている。パワエレはこれらの中核で働いている。

　パワエレと言えば、直流を交流に変えるインバータのイメージがある。しかし、その本質は、必要な時に必要なだけエネルギを供給し、システム全体の電力を最適化する、つまり、省エネすることである。要は、「電気はこまめに切りなさい」を、電子回路で実現する技術である。この重要なスイッチの役割を担っているのが、パワー半導体である。

　パワー半導体は、たとえば、10 mm角の小さなサイズで、100 Aの大きな電流のオンオフができる。しかし、このスイッチ部分だけでは、製品にならない。製品化には、スイッチに信号用の電気配線をし、駆動用の電源供給配線をする。さらに、スイッチは、裸のままではなく外部環境（温湿度など）から保護し、使うと熱くなる（電力損失）ので冷却する。この４つの機能を付加する技術を、半導体実装技術という。要は、半導体と実装技術でパワーモジュールという製品になる。

　たとえば、車載用パワーモジュールには、小型化と同時に高出力化が求められている。搭乗者の居住性確保が、売上げに直結するからでもあろう。このため、パワー半導体は、動作温度を高くし、高電流密度の電流がオンオフできるよう進化している。高温動作できるので、冷却装置は不要か小型になる。高電流密度も小型化につながる。ところが、高温になると、半導体接合用のはんだは溶けやすくなり、半導体とその搭載基板間のストレスは大きくなり割れやすくなる。また、樹脂の電気絶縁性は悪くなり、樹脂と金属の接着部分は剥がれやすくなる。この解決に産学官連携で取り組み、パワエレの信頼性確保のカギとなる実装技術の実現を目指している。

　そんな中、当研究室では、はんだ接合部におけるエレクトロマイグレーション（EM）の研究を行っている。EMとは、流れている電子（エレクトロン）が、はんだ接合部の金属原子に衝突し、その原子を輸送する（マイグレーション）現象である。最終的に、原子が輸送されて減少する領域に、断線故障が発生する信頼性問題である。高温・高電流密度で発生しやすく、今後のパワーモジュールの課題である。接合部の構造や材料を変えながら、信頼性を確保した、安心安全を担保する鍵となる接合部の創成を目指している。なお、次世代脳コンピュータにも、EMが問題として懸念されている。

　さて、現在のパワー半導体も実装技術も、日本が新しい価値を創造し、リードしてきた。「凡そ鐘の声は黄鐘調なるべし」（徒然草第220段）と言われる。今後も「凡そパワエレは日本なるべし」と言われるよう、未来を切り拓く半導体実装技術の実現に、微力ながら貢献していきたい。

【略歴】

　山中　公博（やまなかきみひろ）中京大学工学部教授
　大阪大学大学院工学研究科博士後期課程修了、博士（工学）
　電子工学、材料工学