お客様のサクセスストーリー

熱分析とレオロジーを活用した半導体デバイス製造の最適化

ヴィシェイセミコンダクターGmbHの開発エンジニア、クリスチャン・ドライアー博士とスヴェン・ヒュットナー博士によるフィールドレポート

様々な条件下でポリマーの機械的特性と粘弾性挙動を分析し、その長期的な性能と耐久性について信頼性の高い予測を行う場合、NETZSCH Analyzing & Testing社の分析装置は、通常身近にあります。

Vishay Semiconductor GmbHが、NETZSCH ダイナミックメカニカルアナライザ（DMA）とKinexus回転型レオメータを使用して、半導体デバイスに使用されるポリマー材料の耐用年数と安定性を予測した方法については、新しいカスタマーサクセスストーリーをお読みください。

図1：Vishayの電子部品の運用分野と応用分野の一例：自動車のドライバーモニター照明

世界の半導体産業におけるホーム

Vishayは、ディスクリート半導体および受動電子部品の世界的に有名なメーカーです。これらの部品は、自動車、産業、民生用電子機器、医療市場を中心に、幅広い電子回路に採用されています。同社は、The DNA of tech^{®としての}Vishayの基盤を体現している。

ヴィッセイは、セルブ工場以外にもドイツ国内に製造拠点を有しています。例えばハイルブロンでは、ヴィシェイセミコンダクターGmbHがオプトエレクトロニクス用途の半導体を生産している。これには、光および距離測定用の光センサー、赤外線LED、トランスミッターおよびレシーバー、オプトカプラーなどが含まれる。半導体チップ製造を含む、いわゆる「フロントエンド」はハイルブロンにある。半導体チップをパッケージに組み込む「バックエンド」は、マレーシアやフィリピンなどにある。

赤外光発生半導体デバイス

伝統的な3mmデザインの赤外線エミッターTSAL4400と、VSMAシリーズの高性能赤外線LEDを例として示します。

コンポーネントの光学活性部は、ガリウムヒ素製の赤外光発生半導体チップです。電気的接続は、接点形成に使用される金属ストリップまたはレッグによって実現されます。半導体を損傷から最適に保護するため、半導体はポリマーパッケージに封入されています。

図3：左：Vishayの赤外線エミッター部品TSAL4400。青いケースと3mmパッケージの金属ストリップの足がはっきりと見える。右：最新のSMDケーシング（サイズ：3.4mm）に収められたVSMA10xx高性能LED赤外線LED、出力は最大6W/sr。

ポリマー材料の機械的・粘弾性的特性評価

使用される材料の相互作用は、このような単純な3mmLED部品であっても、熱的・機械的ストレスに対する部品の安定性、ひいては耐用年数を左右するため、非常に重要です。ある種の電子部品は、-55℃から125℃の間の温度に問題なく耐えなければなりません。特に未充填のエポキシやシリコーン材料では、熱膨張を調整することが重要ですが、これは常に可能というわけではありません。しかし、必要な透明性と望ましい機械的強度が得られるのはこれらの材料だけであるため、このような材料を使用しなければならない。機械的特性を向上させるためにフィラーを使用すると、光学的光透過率に悪影響を及ぼす。

私たちの目的は、ポリマー材料の耐用年数と安定性（亀裂や剥離が生じないこと）をより正確に予測することであり、その結果、私たちのコンポーネントの耐用年数をより正確に予測することができるのです。この知識は、部品の開発や新素材の評価において特に価値があります。このため、当社では、NETZSCH Kinexus Lab+回転型レオメーターと NETZSCH DMA 242 E Artemisを使用して、より精密な特性評価を行っています。

DMA(動的粘弾性測定)は、ヤング率や損失弾性率、関連するガラス転移温度などのパラメータを決定するために使用されます。さらに、周波数および温度に依存するDMA測定は、関連するマスターカーブを確立するために使用することができます。

この目的のため、サンプルは当社のNETZSCH Artemis DMAを用いて、-40℃から+200℃の温度範囲で、様々な周波数にわたって3点曲げモードで測定されました。

図4.Vishay Semiconductor GmbHのハイルブロン工場にあるNETZSCH DMA 242 E Artemis。左は冷却用の液体窒素タンク。右は、開放型試験室の上にある3点曲げセットアップのクローズアップ写真。

図5は、マスターカーブ生成の基礎として使用される測定スペクトルの変換を示している。

NETZSCH 、さらなる分析と予測Proteus^®

測定されたスペクトルは、NETZSCH Proteus^® ソフトウェアで直接処理され、Cole-Coleマスターカーブが生成された。

マスター曲線と時間-温度シフト係数を使用することで、試料の緩和挙動を長期間にわたって外挿することができる。高周波における材料特性は低温における材料特性に対応し、その逆も同様であると仮定します。このようにして、有限要素シミュレーションなどでより正確な予測を行うために、ソフトウェアで測定されたマスターカーブと変位係数から材料特性が決定されます。

この解析は、NETZSCH Proteus^® 測定ソフトウェアによって直接サポートされ、それぞれのコンポーネントにおける緩和挙動やクリープなどの時間依存性パラメータを計算し、シミュレーションすることができます。そして、弱点を避けたり、高性能な材料を見つけたりするための設計が可能になります。

図 7 に、ケーシング内の応力分布のシミュレーション結果を示す。時間依存シミュレーションは、マスターカーブが提供するデータに基づいている。

図8：模擬部品の顕微鏡写真。中央の半導体チップは、金属ストリップの反射鏡の谷に接着されているのがはっきりと見える。電気的接触は、金線を使って上から行われる。応力試験中、評価したパッケージ材料が適さないことが判明したため、金ワイヤは曲がってしまった。

NETZSCH 、私たちは分析機器の信頼性とサポートの質の高さを高く評価しています。エキサイティングな質問と、NETZSCH ラボスタッフの高い技術品質と専門知識を組み合わせることで、しばしば優れた結果が得られます。

クリスティアン・ドライヤー博士、スヴェン・ヒュットナー博士、研究活動における興味深い洞察に感謝します！

この記事をシェアする