TATSUMI, Kohei

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, Graduate School of Information, Production, and Systems

Job title

Professor

Research Institute 【 display / non-display

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1983

    RWTH Aachen   Graduate School, Division of Materials Science   Allgemeine Metallkunde und Metallphsik  

  •  
    -
    1978

    Waseda University   Graduate School, Division of Science and Engineering   Metallurgy  

  •  
     
     

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   Metallurgy  

Degree 【 display / non-display

  • RWTH Aachen (Germany)   Dr.-Ing.

Research Experience 【 display / non-display

  • 2008
    -
    2010

    新日鉄マテリアルズ 取締役技術部長

  • 2008
    -
    2010

    新日鉄マテリアルズ(現:日鉄ケミカル&マテリアル) 取締役技術部長

  • 2010
    -
     

    Waseda University   Graduate School of Information Production and Systems

  • 2001
    -
    2008

    新日本製鐵株式会社 先端技術研究所 新材料研究部長

  • 2001
    -
    2008

    新日本製鐵(現:日本製鉄)株式会社 先端技術研究所 新材料研究部長

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Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    エレクトロニクス実装学会

  •  
     
     

    日本金属学会

  •  
     
     

    応用物理学会

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Structural materials and functional materials

Research Interests 【 display / non-display

  • Electronic Materials

Papers 【 display / non-display

  • Fabrication and PD-initiated Breakdown of Simulated Mica Tape Insulation Containing Epoxy Nanocomposites

    Tomonori Iizuka, Xuping Liu, Jun Mai, Kohei Tatsumi, Toshikatsu Tanaka, Takahiro Mabuchi, Xiaohong Yin, Takahiro Umemoto, Hirotaka Muto

    IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP2020     1 - 4  2020.10  [Refereed]

  • Analysis of Discharge Erosion Processes in Epoxy Silica Nanocomposite

    Keiko Koshiba, Tomonori Iizuka, Toshikatsu Tanaka, Kohei Tatsumi, Takahiro Mabuchi, Xiaohong Yin, Takahiro Umemoto, Hirotaka Muto

    IEEE Conference Proceedings of International Symposium on Electrical Insulating Materials(ISEIM2020)     95 - 98  2020.09  [Refereed]

  • An Embedded SiC Module with Using NMPB Interconnection for Chevron Shaped Cu Lead and Electrodes

    Naoki Fukui, Keiko Koshiba, Itaru Miyazaki, Isamu Morisako, Tomonori Iizuka, Tomoya Itose, Masayuki Hikita, Rikiya Kamimura, Kohei Tatsumi

    2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC)     2226 - 2229  2020.06  [Refereed]

    DOI

  • Mechanics of direct bonding: Splitting forces

    Y. Zimin, T. Ueda, K. Tatsumi

    Sensors and Actuators A: Physical   303   1 - 7  2020.03  [Refereed]

    DOI

  • Thermal Resistance and Transient Thermal Analysis of SiC Power Module Using Ni Micro Plating Bonding

    Akihiro Imakiire, Masahiro Kozako, Masayuki Hikita, Kohei Tatsumi, Masakazu Inagaki, Tomonori Iizuka, Nobuaki Sato, Koji Shimizu, Kazutoshi Ueda, Kazuhiko Sugiura, Kazuhiro Tsuruta, Keiji Toda

    IEEJ Transactions on Industry Applications   139 ( 10 ) 838 - 846  2019.10

    DOI

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Books and Other Publications 【 display / non-display

  • EV・HEV向け電子部品、電装品開発とその最新事例 「SiCを中心としたパワーデバイスの高耐熱実装技術」

    巽 宏平

    技術情報協会  2018

  • 放熱・高耐熱材料の特性向上と熱対策技術 「SiCパワーデバイスのための高温耐熱接合技術」

    巽 宏平

    技術情報協会  2017

  • 研究開発リーダー 「新規事業開発のための一次情報と内部情報の効果的収集の仕方」

    巽 宏平

    技術情報協会  2014

  • 市場開拓、開発テーマ発掘のためのマーケティングの具体的手法と経験事例集 調査データに基づいた評価、分析手法を実務で実践するには

    巽 宏平

    技術情報協会  2013

  • 2022年を見据えた研究テーマ発掘の実践ノウハウ集「新規事業における情報収集と研究開発」

    巽 宏平

    技術情報協会  2012.07

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Industrial Property Rights 【 display / non-display

  • 半導体素子接合構造、半導体素子接合構造の生成方法及び導電性接合剤

    巽 宏平, 田中 康紀

    Patent

  • 耐熱評価用TEG

    巽 宏平

    Patent

  • 電極接続方法及び電極接続構造

    6667765

    巽 宏平

    Patent

  • ⾦属ナノ粒⼦を⽤いた⾦属接合構造及び⾦属接合⽅法

    6384895

    巽 宏平

    Patent

  • ⾦属ナノ粒⼦を⽤いた⾦属接合構造及び金属接合方法並びに金属接合材料

    6384894

    巽 宏平

    Patent

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Awards 【 display / non-display

  • パワー・エレクトロニクス・アワード 2019最優秀賞

    2019.12   日経エレクトロニクス  

  • 日経BP技術賞

    2008.04  

  • 溶接学会マイクロ接合研究委員会 優秀研究賞

    1996.07  

  • ASME/JSME優秀論文賞

    1992.07  

  • SHM(エレクトロニクス実装学会)優秀論文賞 (橘記念論文賞)

    1991.05  

Research Projects 【 display / non-display

  • 太陽電池コンタクター長寿命化接続技術の基盤研究

    Project Year :

    2018.04
    -
    2021.03
     

     View Summary

    Niマイクロメッキ接合による太陽電池インターコネクター接合技術:太陽電池のインターコネクターは主として、シリコンと鉛ハンダと銅の3層構造で形成されている。鉛ハンダはセルのシリコンと熱膨張差が大きく、熱疲労による劣化やハンダの腐食による電気抵抗の増加などの欠点がある。それに代わる、Niマイクロメッキ接合による太陽電池インタコネクター接合技術の長期信頼性の検討をおこなってきた。昨年度までには、ニッケルマイクロメッキ接合のマイクロストラクチャーの制御について検討を実施した。2019年度は、主としてニッケルマイクロメッキ接合の長期信頼性の検証のために、ニッケルと銅の接合の長期疲労寿命を、従来のはんだ接合と比較した。銅試験片にNiマイクロメッキを両面メッキし、比較実験として、同じ銅試験片にハンダを両面ディップし、共振型疲労試験を行った。結果は、室温下(25 ℃)、メッキの疲労限は0.729 mmであり、ハンダの疲労限0.603 mmに対し、疲労強度を約2.2倍示した。高温下、メッキの試験温度がハンダより100 ℃高いにもかかわらず、疲労強度はハンダの約4.3倍を示した。つまり、メッキ接合の長期信頼性はハンダを遥かに上回ることがわかった。共振型疲労試験の続き、SEMによる疲労した試験片の断面および破面観察を行った。結果から見ると、室温に比べて、高温実験のき裂進展はメッキの方は大きく変化がなかったことに対し、ハンダは複数のき裂が見られた。これはハンダの中で、クリープとカーケンドール効果が生じたと考えられる。また、 EBSDによる観察の結果、NiマイクロメッキはY方向で<101>と<100>の柱状晶であり、250 ℃でアニールしても柱状晶を保つことができ、耐熱性に優れていることがわかった。組織制御、信頼性評価など基盤研究としての項目は順調に進捗している。動作確認などの実デバイスでの評価については、試験材料の準備を含め、検討を進める。基盤研究としての接合部組織制御、信頼性評価は完了し、本技術の優位性は明らかになってきているが、今後は、実デバイスへの適用と動作確認を実施したい。Si素子とのインターコネクションには、下地処理が必要であり、下地との接合信頼性を含めて、従来法との比較評価を行う。また簡易的に動作確認を行い、大型パネルでの実用性の研究開発への計画を立案する

  • 自動車向けSiC耐熱モジュール実装技術の研究開発

    Project Year :

    2014.09
    -
    2019.02
     

    Authorship: Principal investigator

  • 企業との共同研究

    Project Year :

    2010
    -
     
     

Presentations 【 display / non-display

  • 共振式疲労試験機を用いたNiマイクロメッキ接合の長期信頼性

    于昕光, 堂免凌太, 森迫勇, 小柴佳子, 飯塚智徳, 巽宏平

    日本金属学会 第167回秋期講演大会 

    Presentation date: 2020.09

  • 山形Cuリードを用いた基盤埋込型パワーデバイス実装技術の研究

    福井直生, 宮崎達, 小柴佳子, 飯塚智徳, 巽宏平, 糸瀬智也, 匹田政幸, 上村力也

    エレクトロニクス実装学会第34回春季講演大会 

    Presentation date: 2020.03

  • Cuコアボールを介したNiマイクロメッキ接合の高温信頼性

    小野寺巧, 富士原巧, 小柴佳子, 飯塚智徳, 巽宏平

    日本金属学会 第166回春期講演大会 

    Presentation date: 2020.03

  • 共振式疲労試験機を用いたNiマイクロメッキ接合の長期信頼性

    于昕光, 堂免凌太, 森迫勇, 小柴佳子, 飯塚智徳, 巽宏平

    日本金属学会 第166回春期講演大会 

    Presentation date: 2020.03

  • コールドスプレー法によるパワーモジュールヒートシンク作製と評価

    小柴佳子, 福森稔, 森迫勇, 飯塚智徳, 巽宏平

    日本金属学会 第166回春期講演大会 

    Presentation date: 2020.03

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Specific Research 【 display / non-display

  • 高耐熱鉄系合金の低温接合技術の研究

    2017  

     View Summary

    鉄系金属の接合は溶接、ろうづけ、超音波接合などの方法が実用化されている。溶接、ろうづけは広く用いられているが、被接合部が高温にさらされるため、材質の劣化が免れない。特に高強度材は溶接熱影響部の脆化、強度低下などが問題となる。超音波接合の場合には、被接合体の形状、サイズが限定される。ここでは、耐熱性、耐食性にすぐれたNiに着目し、ナノNi粒子による接合の可能性を検討した。これらは400℃以下で、ナノ粒子は焼結を開始し、鉄系材料との接合も可能であることを見出した。接合部界面の微細組織の解析から、Niナノ粒子は、酸化膜の存在下でも、接合が可能であり、その後の加熱において、異種金属の拡散、合金化が生じることが明らかとなった。

  • ナノNi粒子による応力緩和型高温実装用インタコネクション技術研究

    2015   田中康紀, 飯塚智徳

     View Summary

    インバータに使用されるパワーモジュールは、省エネルギー化、高耐熱化を目的として、SiC半導体を利用する検討がなされているが、未解決の課題も多い。その一つが高耐熱実装技術である。従来の半田材料や、Alワイヤに代わる、高融点材料による接続技術開発が必要である。本研究では、耐酸化性に優れたNiナノ粒子を用い、熱応力による応力の緩和を目的としてAlフィルムを挿入した応力緩和型の接続構造を検討した。AlとNIナノ粒子との接合部の信頼性、応力緩和効果について検討した結果、Alフィルムの効果が、実験と有限要素法による(Mark Menta使用)シミレーションの双方から確認できた。

  • 高信頼Agインターコネクション技術の研究

    2014  

     View Summary

    半導体の導電接続は、金、銅、半田などが多用されてきたが、銀はマイグレーションなどが懸念され、チップ電極の裏面、リードフレームのリードメッキなどの使用に限定されてきた。 近年、SiCなどの新規パワー半導体の開発が進展し、これらの特徴を最大限に引き出すために、高温で、高電流密度の使用が期待されてきた。しかし従来の、アルミニウムワイヤ、半田などの材料による接続は、高温での使用では、組織変化や溶融による不良が懸念され、高融点材料による接続が検討されてきた。ここでは、Alワイヤに代わる銅、銀ワイヤの検討をおこない、特に比較的加工硬化の少ない銀ワイヤが、接合性、接続時にチップへのダメージなどの点から優れていることが明らかにした。またAL電極との接合信頼性については、高温で金属間化合物が形成されているが、比較的Al厚みの厚い場合(4μm)には一定の、長期信頼性が確保できること、さらには、Ni/Au電極では、十分な高温信頼性が確保できることをあきらかにしてきた。

  • ナノNi粒子による高温実装用インターコネクション技術研究

    2014  

     View Summary

    近年、自動車やエレクトロニクス分野において材料接合のニーズは多様化しており、新たに接合技術が求められている。特に車載用のエレクトロニクス部品は高温耐熱化が求められており、またEVやHEV用のパワーモジュール に期待されているSiCデバイスの実装には、はんだ接合に代わる高耐熱性を有する新たな接合技術の開発が求められている。ここでは300℃以上の長期高温耐熱性を有し、接合温度が400℃程度以下の接合技術をターゲットとした接合方法として、金属ナノ材料の適応可能性の検討を目的とした。現在までに、鉛フリー化に伴った高温はんだ代替の接合材料としてAgナノ粒子、Cuナノ粒子による接合が検討され、ナノペーストなどによる接合性の研究がされているが、高温環境での酸化等の問題も指摘されている。新たな接合材料として、銀よりも融点が高く、耐食性に優れているNiに着目し以下の結果が明らかとなった。1. 高融点材料で耐食性も期待できるNiを用いた接合が、低温300℃程度で可能であることが分かった。かつ接 合後も300℃以上の高耐熱性を有していることが判明した。2. パワーデバイスにおけるダイボンディング部「素子裏面電極‐基板電極」あるいは、表面電極とCuリードの接合を 想定したナノNi粒子のAlへの直接接合について、Al蒸着Siチップ同士の接合実験で加熱・加圧を行うことにより十分な初期強度ならびに 高温保管での強度が確保できることが分かった。3. 実験熱膨張差による応力緩和に金属の中間層を設けた新たな接合構造は効果的である結果となった。今後は応力緩和層の厚みなどの最適化、熱サイクル試験による急激な温度変化による接合信頼性の検証を行う予定ではあるが、熱膨張差による応力問題の解決策として有効であると言える。そしてこの応力緩和層を設けた新たな接合構造は銀ナノ粒子による接合にも効果的であると考えられる。4. SiCダイオードチップを用いた高温環境でのデバイス動作テストを行った結果、加熱による接合部の劣化はなく、300℃程度の高温動作が可能であることが分かった。

  • ナノNi粒子とA1接合機構の解明と応力緩和構造の研究

    2013  

     View Summary

    パワーデバイスにおけるダイボンディング部「素子裏面電極‐基板電極」あるいは、表面電極とCuリードの接合を想定したナノNi粒子のAlへの直接接合について、ナノNiペースト、ナノNi溶液を用いた接合評価をおこなった。Al蒸着Siチップ同士の接合実験で加熱・加圧を行うことにより十分な初期強度ならびに高温保管での強度が確保できることが分かった。さらにAl表面へのナノNi溶液の塗布方法として静電噴霧法は選択的に電極への塗布が可能であり、一定の強度が得られていることから、ナノ粒子の塗布方法として有効であると考えられる。高融点材料で耐食性も期待できるNiを用いた接合が、低温300℃程度で可能であることが分かった。かつ接合後も300℃以上の高耐熱性を有していることが判明した。界面のSTEMによる観察からは、低温側では酸化物を介した接合が開始し、高温側ではAl/Niの金属結合が進行していることが確認された。パワーデバイス実装への適応において、銅基板とSiまたはSiCチップとの熱膨張差から生じる応力の緩和については、Niナノ粒子層に応力緩和層を用いることで十分なな接合強度が維持できることがわかった。さらに最適な応力緩和層の配置と物性の検討を有限要素法によるシミュレーションも併用して検討する予定である。 またSiCダイオードチップを使用して、ダイボンディング部の「素子裏面電極―基板電極」の接合をナノNi粒子により行い、高温環境及び高温保持試験後において回路として正常に動作することを確認した。以上の結果から、ナノNi粒子は塗布方法のさらなる検討が必要ではあるが、ダイボンディング部の高耐熱実装技術として実用的かつ有効な接合技術であると考えられる。なお、粒子サイズによる接合強度の比較で、接合温度300℃では、粒子サイズの大きい方が接合強度が高くなる結果に対しては、小粒径の粒子では、表面の酸化膜量が相対的に多くなることが原因しているものと考えられた。このことから、表面活性を高めた小径のものと、酸化膜量を相対的に提言した大径の粒子複合化による最適なナノ接合材料の検討が必要と考えられる。

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