富士電機技報 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 2017 Vol.90 N o.4 富士電機技報 第 90 巻 第 4 号（通巻第 896 号） 2017 年 12 月 30 日発行 富士電機技報 第 90 巻 第 4 号（通巻第 896 号） 2017 年 12 月 30 日発行 ISSN 2187-1817
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
2017
Vol.90 No.
4
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
地球温暖化防止のため CO2排出抑制への取組みは非常に重要であり， 省エネルギー化をはじめ，太陽光発電や風力発電などの再生可能エネル ギーの拡大，HEV や EV など自動車の電動化が進展しています。その ため，電気エネルギーを効率的かつ安定的に利用するためのパワーエレ クトロニクスにおいて，キーデバイスとしてのパワー半導体への期待は ますます高まっています。富士電機では，多くの分野に向けて，パワー エレクトロニクス装置の小型化や高効率化に寄与するパワー半導体を開 発し，製品化しています。 本特集では富士電機のパワー半導体について，最新の技術および製品 を紹介します。2017
Vol.90 No.
4
① ② ③ ④ ⑤ 表紙写真 ① 第 7 世 代「X シ リ ー ズ 」1,700 V IGBT モ ジ ュ ー ル “PrimePACK™”，② All-SiC 2 in 1 モジュール（タイプ 3L）， ③大容量 SiC ハイブリッドモジュール「HPnC」，④車載用 大容量 IGBT モジュール「M660」，⑤第 6.5 世代車載用圧力 センサ目 次
〔現状と展望〕パワー半導体の現状と展望
202
（ 4 ）藤平 龍彦 ・ 宝泉 徹 ・ 栗原 俊治
SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All
-
SiC モジュール
209
（11）中沢 将剛 ・ 大長 規浩 ・ 辻 崇
〔特集に寄せて〕パワーデバイスと回路トポロジー
201
（ 3 ） 伊東 淳一特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
SiC
-
MOSFET のバイポーラ劣化抑制のためのバッファ層技術
214
（16） 俵 武志 ・ 呂 民雅 ・ 宮里 真樹配電機器向け 3.3 kV 耐圧 All
-
SiC モジュール
219
（21） 谷口 克己 ・ 金子 悟史 ・ 熊田 恵志郎第 7 世代「X シリーズ」1,700 V IGBT モジュール“PrimePACK™”
224
（26） 山本 拓也 ・ 吉渡 新一 ・ 岡本 有人大容量 SiC ハイブリッドモジュール「HPnC」
228
（30） 関野 裕介 ・ 三本 孝博 ・ 森谷 友博第 7 世代「X シリーズ」産業用 RC
-
IGBT モジュールの系列化
233
（35） 山野 彰生 ・ 高崎 愛子 ・ 市川 裕章第 6.5 世代車載用圧力センサ
242
（44） 鵜澤 良平 ・ 西川 睦雄 ・ 田中 貴英車載用大容量 IGBT モジュール「M660」
238
（40） 大澤 彰浩 ・ 樋口 恵一 ・ 仲野 逸人第 7 世代「X シリーズ」1,700 V IGBT モジュール“PrimePACK™”
255
（57）3 レベル用 IGBT モジュール I
-
type“PrimePACK™”
258
（60）超高効率モールド変圧器「スーパーエコモルトラⅡ」
260
（62）第 6.5 世代車載用圧力センサ
263
（65）新製品紹介論文
650 V 耐圧 PWM 電源制御 IC「FA8A80 シリーズ」
246
（48） 日朝 信行 ・ 遠藤 勇太 ・ 狩野 太一DFN8×8 パッケージの「Super J MOS S2 シリーズ」
251
（53）「Super J MOS S2FD シリーズ」
島藤 貴行 ・ 渡邉 荘太 ・ 松本 和則略語・商標
266
（68）富士電機技報 vol.90 2017（平成 29 年）総目次
Contents
[Preface] Power Devices and Circuit Topology
201
（ 3 ）ITOH, Junichi
Power Semiconductors Contributing in Energy Management
2017 Vol.90 No.
4
Power Semiconductors: Current Status and Future Outlook
202
（ 4 ）FUJIHIRA, Tatsuhiko HOSEN, Toru KURIHARA, Toshiharu
All-SiC Modules Equipped with SiC Trench Gate MOSFETs
209
（11）NAKAZAWA, Masayoshi DAICHO, Norihiro TSUJI, Takashi
Buffer Layer Technology to Suppress Bipolar Degradation in
214
（16）SiC-MOSFETs
TAWARA, Takeshi RYO, Mina MIYAZATO, Masaki
3.3-kV All-SiC Modules for Electric Distribution Equipment
219
（21）TANIGUCHI, Katsumi KANEKO, Satoshi KUMADA, Keishiro
“PrimePACK™” of 7th-Generation “X Series” 1,700-V IGBT Modules
224
（26）YAMAMOTO, Takuya YOSHIWATARI, Shinichi OKAMOTO, Yujin
“HPnC” Large-Capacity SiC Hybrid Module
228
（30）SEKINO, Yusuke MITSUMOTO, Takahiro MORIYA, Tomohiro
7th-Generation “X Series” RC-IGBT Module Line-Up for
233
（35）Industrial Applications
YAMANO, Akio TAKASAKI, Aiko ICHIKAWA, Hiroaki
“M660” High-Power IGBT Module for Automotive Applications
238
（40）OSAWA, Akihiro HIGUCHI, Keiichi NAKANO, Hayato
“PrimePACK™” of 7th-Generation “X Series” 1,700-V IGBT Modules
255
（57）I-Type “PrimePACK™” of 3-Level IGBT Modules
258
（60）“SUPER ECO MOLTRA
Ⅱ” Cast Resin Transformer
260
（62）Achieving Super High Efficiency
6.5th-Generation Automotive Pressure Sensors
263
（65）New Products
6.5th-Generation Automotive Pressure Sensors
242
（44）UZAWA, Ryohei NISHIKAWA, Mutsuo TANAKA, Takahide
“FA8A80 Series” 650-V PWM Power Supply Control ICs
246
（48）HIASA, Nobuyuki ENDO, Yuta KARINO, Taichi
“Super J MOS S2 Series” and “Super J MOS S2FD Series” for
251
（53）DFN 8×8 Packages
SHIMATO, Takayuki WATANABE, Sota MATSUMOTO, Kazunori
Abbreviations and Trademarks
266
（68）特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 長岡技術科学大学 技術科学イノベーション専攻（兼）電気電子情報工学専攻 教授 伊東 淳一 ITOH, Junichi 炭化けい素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を使ったワ イドバンドギャップ半導体の開発が目覚ましい。1.2 kV ク ラスは既に多くのメーカーから製品化され，最近は，高耐 圧を持つ SiC の開発が盛んで，10 kV 耐圧 SiC の適用例も 報告されている。これまで，サイリスタ→ GTO → IGBT への変革が電力変換装置を大きく変えたように，パワーエ レクトロニクスはパワーデバイスの発展とともに大きく進 化してきた歴史がある。 低損失デバイスが出現すると，電力変換装置は飛躍的に 小型化（高パワー密度化）が進む。効率は最大 100% で限 りがあるが，小型化には限りがない。高効率化の恩恵は省 エネルギーと思われることが多いが，95% を超えるよう な高効率の世界では，高効率化に伴うランニングコストの 低減効果は小さい。一方，効率が向上すると低損失化に 伴って冷却を小さくでき，小型，軽量化に大きく寄与する。 高パワー密度化は大きなイノベーションの可能性を秘め ている。例えば，スマートフォンはいくら魅力的なコンテ ンツやサービスがあっても，ポケットにしまえなかった り 1 日電源がもたなかったりしたら，ここまで普及しない だろう。これには，部品，バッテリー，実装をはじめ電力 変換回路の大幅な高パワー密度化技術が大きく貢献してい る。同様に LED 照明や液晶テレビの普及には，見えない ところで電源技術が大きく活躍している。高パワー密度化 によって，開発当初は加工，組立てコストがアップするか もしれないが，最終的に原材料の削減につながり，コスト の削減につながる。 新しいパワーデバイスが出現すると，新しい回路トポロ ジーが生まれるのかが期待される。しかし，もともと電力 変換回路のトポロジーは，抵抗，キャパシタ，インダク タ，スイッチの組合せであり，簡単化されていく流れがあ る。純粋な意味で，これらの新しい組合せは，ほぼ出尽く している感がある。しかし，パワーデバイスの発展により， “昔は実用が難しかった回路”が復活する可能性を秘めて いる。例えば，T タイプ 3 レベルインバータの回路トポロ ジーはずっと昔からあったが，高圧大容量の電力変換装置 ではダイオードクランプ型が主に使用されてきた。しかし， 高耐圧パワーデバイスの導通損失が低下したことや，その コストがインダクタのコストよりも安価になったこと，小 型化，高効率化の要求が格段に高まったことにより，2000 年初頭に実用化された。このように昔とは技術だけでなく， 社会の価値観が変化している。現在，小型化，高効率化の 要求に加え，信頼性（メンテナンスフリー）や，系統連系 やワイヤレス給電など新たな規格への適合が求められるた びに大きな変革をもたらすチャンスである。 ワ イ ド バ ン ド ギ ャ ッ プ 半導体は，高耐圧，低オン抵 抗，低スイッチング損失の特徴がある。また，マイコン， FPGA をはじめとするデジタル制御装置の発展と低コス ト化も目覚ましい。これまでの常識を一回捨てて，新しい 価値観に適合した回路やシステムを新しいパワーデバイス や制御装置で実現できないか，見直してはどうだろう。 例えば，SiC 化により 1,200 V 系のデバイスが当たり前 になれば，1 台で世界中のさまざまな電源電圧に対応する スイッチング電源が当たり前になったように，汎用イン バータも従来別々に対応していた 200 V/400 V の両方の電 圧に共通して対応できるようにするのもよいかもしれない。 また，AC200 V 系の回路に 1,200 V 耐圧のデバイスが適用 できれば，これまで，“パワーデバイスの耐圧が上がるか ら”敬遠されてきた回路が日の目を見るかもしれない。こ のような回路トポロジーの“発掘”や“再発見”がワイド バンドギャップ半導体の発展とともに訪れるであろう。 回路トポロジーの“発掘”や“再発見”は早い者勝ちな ので，いち早く発見できるかどうかにかかっている。こ のような研究開発には，回路だけでなく，パワーデバイ ス，受動部品，冷却，構造などさまざまな知見が必要であ り，特に最適設計を行うにはパワーエレクトロニクスにお けるシステムインテグレーション技術が重要である。これ は，回路トポロジーありきの設計ではなく，コンポーネン ト，サーマルマネジメント，EMC を含めた統合設計技術 である。これを実現する手法はいくつかあるが，いずれも 幅広い知識が必要であり，アンテナを広げて得た知識を整 理することが重要である。自戒の念を込めていうと，特に 目の前の仕事に追われているとなかなか気がつかない。自 分から積極的に交流を広げ，簡単に入手できるインター ネットからの情報だけでなく，自分でいろいろな人から生 きた情報を取ることがますます大事となる。 特集に寄せて
パワーデバイスと回路トポロジー
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
特集 エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
Power Semiconductors: Current Status and Future Outlook
まえがき 人口増加と経済成長に伴い，世界のエネルギー消費 量は増加の一途をたどっている。CO2排出量を抑制し て地球の温暖化を防止するため，省エネルギー（省エ ネ）化をはじめ太陽光発電や風力発電などの再生可能 エネルギーの拡大，ハイブリッド自動車（HEV）・電 気自動車（EV）など自動車の電動化などによる低炭 素化も進展している。パワー半導体は，電力の供給・ 制御に欠かすことができない部品であり，エネルギー の効率的な利用による省エネ化や低炭素化を牽引（け んいん）するパワーエレクトロニクス技術における キーデバイスである。 富士電機は，創業以来，エネルギー技術の革新に取 り組んできている。その一つとして，エネルギーを安 定的にかつ最も効率的に利用するため，環境にやさし いパワー半導体を開発して製品化し，安全・安心で持 続可能な社会の実現に向けて貢献している。 本稿では，今後も高い市場成長が見込まれるパワー 半導体の技術および富士電機における製品の現状と展 望について述べる。 パワーモジュール パワーモジュール（＊ 1）においては，半導体チップの設計 に加え，パッケージの電気設計，放熱設計，絶縁設計， ならびにこれらによって得られた初期の特性が一定期 間保持される長期信頼性設計が重要となる。富士電機 では，技術革新を繰り返し，高機能で大容量，かつ環 境対応といった要求を満足するパワーモジュール開発 を進めてきた。 2 . 1 パワーモジュール製品 図 に，富士電機のパワーモジュール製品の応用例 を示す。家電製品などの小容量用途には，第 2 世代小 容量 IPM （＊ 2）
（Intelligent Power Module）を製品化して いる⑴。インバータ，ロボット，無停電電源装置（UPS） などの中容量産業用途には，モジュールおよび IPM を製品化しており，第 7 世代チップ技術やパッケー ジ技術を用いた「X シリーズ」が最新の製品である⑵，⑶。 中容量市場では，HEV や EV といった車載向けのモ ジュール，および IPM も製品化してきた⑷。近年では， RC-IGBT （ ＊ 3 ）
（Reverse-Conducting Insulated Gate
Bipolar Transistor）を搭載した車載用第 3 世代直接 水冷型パワーモジュールを開発した
⑸
。さらなる小型化， 高信頼性を狙い，第 3 世代直接水冷技術に加えて，従
藤平 龍彦 FUJIHIRA,Tatsuhiko 宝泉 徹 HOSEN,Toru 栗原 俊治 KURIHARA,Toshiharu
パワー半導体の現状と展望
（＊ 1）パワーモジュール ダイオードやトランジスタといった用途に応じた複 数個のパワー半導体を配線して電気回路を形成した 上でパッケージ化し，使用者の使いやすい形態とし たものである。一つのモジュールの中の素子（通常 は IGBT+ 逆並列接続 FWD）の数に応じて，1 in 1， 2 in 1，6 in 1 などと呼ばれる。パワー素子を制御する 駆動回路も搭載したものは，インテリジェントパワー モジュール（IPM）と呼ばれる。 （＊ 2）IPMIntelligent Power Module の略である。パワー半導体 素子に加え，駆動回路，保護回路を内蔵したパワーモ ジュールである。回路設計の負担を軽減できる上，専 用の駆動回路を用いることで半導体素子の性能を最大 限に引き出すことができる。 （＊ 3）RC-IGBT Reverse-Conducting（逆導通）IGBT の略である。モ ジュールにおいて対で使われる IGBT と FWD をワン チップ化した素子である。IGBT 部と FWD 部が交互 に動作するので放熱性に優れ，モジュール内のチップ 数を削減できるため，IGBT モジュールの小型化とパ ワー密度向上につながる。 電 流 電 圧 データ サーバ 家電製品 風力 電鉄 太陽光発電 高耐圧・大容量市場 小容量市場 中容量市場 HEV・EV インバータ ロボット UPS 「X シリーズ」 RC-IGBT パワーモジュール 車載用大容量 IGBT モジュール 小容量 IPM All-SiC モジュール 「X シリーズ」パワーモジュール 電鉄向けパワーモジュール 図 1 パワーモジュールの製品応用例
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 来のワイヤ配線に替わるリードフレーム配線技術を採 用したモジュールを開発した。また，第 7 世代チップ 技術，パッケージ技術を用いた X シリーズの技術と RC-IGBT 技術とを組み合わせた産業用 RC-IGBT モ ジュールを開発した。 X シリーズを大容量帯に拡大し，電力変換装置のさ らなる小型化や効率化の要求に応えるモジュールを開 発した。また，FWD （＊ 4）
（Free Wheeling Diode）を低損 失の SiC-SBD
（＊ 5）
（Schottky Barrier Diode）とし，新規 パッケージを採用していっそうの高効率・高信頼性を 確保し，電鉄用途にも適したハイブリッドモジュール を開発した。 2 . 2 All-SiC モジュール 炭化けい素（SiC （＊ 6） ）は，次世代のパワー半導体材料 として期待されている。SiC は，バンドギャップおよ び熱伝導率がシリコン（Si）の約 3 倍あるため，熱励 起キャリアの減少や発生した熱が拡散しやすいので 高温動作が可能である。さらに，SiC を用いることに より損失を低減できるメリットもある。パワー半導 体のスイッチング損失を小さくするためには IGBT （＊ 7）
を MOSFET（ ＊ 8）（Metal-Oxide-Semiconductor Field
-Eff ect Transistor） に 置 き 換 え る こ と が 有 効 で あ る が，MOSFET では導通損失が大きくなるという問題 があった。SiC は，最大電界強度が Si の 10 倍近くあ ることから，よりデバイスの薄化が可能である。さら に，ドリフト層に高濃度でドーピングできるため，導 通損失が低減できるメリットがある。このため，ス イッチング素子に SiC-MOSFET を採用することによ り，Si-IGBT に比べて損失の低減を図ることができる。 このような SiC の高耐圧，低損失，高温動作といった 優れた性質を生かすことにより，小型・高パワー密度 モジュールの実現が可能となる。富士電機では，これ らの SiC の優れた特徴を引き出すため，従来のパワー モジュールとは構造が大きく異なる銅ピン接合，樹脂 封止技術を用いた All-SiC モジュールを製品化してい る⑹。さらには，配電機器向けなど大容量帯の製品の開 発を行っている。 SiC-MOSFET の寄生ダイオードは，ボディダイオー ドと呼ばれ，通電による特性劣化が問題となるため， SiC-SBD を並列接続して，ボディダイオードへの順 方向電圧を低減する方法が採られてきた。さらなる小 型化や低コスト化のニーズに対応するためには，SiC -SBD を使わずにボディダイオードの通電による特性劣 化を抑制する技術が必要となる。富士電機では，特性 劣化の原因となる基板結晶の積層欠陥の拡大を抑制す る技術の開発に取り組んでいる。 パワーディスクリート・パワー IC パワーディスクリート（＊ 9）は，ダイオードや MOSFET などのパワー半導体を主に小型の汎用パッケージに搭 載した単機能の素子を指す。 富士電機では，車載用 DC/DC コンバータや充電器 向け，パワーウインドウやパワーステアリング向けな ど自動車用の電子制御部品を広く展開している。ま た，産業や民生分野では，UPS やパワーコンディショ ナ（PCS），サーバ，通信基地局，LED 照明などに使 用される製品を提供している。近年，IoT（Internet of Things）の進展により，PC やサーバといった IT 関連機器に加え，デジタル家電をはじめとするさまざ まな機器がインターネットに接続されるようになって いる。これらの機器に各種通信機能が付加されること で，電源の占有スペースも限られてきている。そのた （＊ 4）FWD
Free Wheeling Diode の略である。還流ダイオード ともいう。インバータなどの電力変換回路において， IGBT と並列に接続され，IGBT をオフした際にイン ダクタンスに蓄えられたエネルギーを電源側へ還流 させる役割を担うデバイスである。Si の FWD では， PiN ダイオードが主流である。少数キャリアも用いた バイポーラタイプであるため，順方向電流通流時の電 圧降下を小さくできるが，その分，逆回復損失が大き くなる。 （＊ 5）SBD
Schottky Barrier Diode の略である。金属と半導体と の接合によって生じるショットキー障壁を利用した整 流作用を持つダイオードである。その優れた電気特性 により，SiC-SBD の FWD への適用検討が始まって いる。少数キャリアも利用する PiN（P-intrinsic-N） ダイオードと比較して，多数キャリアのみで動作する SBD は逆回復スピードが速く，逆回復損失も小さい。 （＊ 6）SiC けい素（Si）と炭素（C）の化合物である。3C，4H， 6H など多くの結晶の構造多形が存在し，構造によっ て 2.2 〜 3.3 eV のバンドギャップを持つワイドギャッ プ半導体として知られる。絶縁破壊電圧や熱伝導率が 高いなどパワーデバイスとして有利な物性を持つた め，高耐圧・低損失・高温動作デバイスが実現できる として実用化が進められている。 （＊ 7）IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor の略である。ゲー ト部は MOSFET と同じ構造で，酸化物絶縁膜で絶 縁されたゲート部を持つ電圧制御型デバイスである。 MOSFET とバイポーラトランジスタの長所を生かし たものである。バイポーラ動作であるため伝導度変調 を用いることができるので，インバータへの応用に十 分なスイッチング速度と高耐圧・低オン抵抗を両立で きる。 （＊ 8）MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Eff ect Transistor
の略である。電界効果トランジスタの一つであり，酸 化物絶縁膜で絶縁されたゲート部を持つ電圧制御型デ バイスである。LSI では最も一般的な構造である。ユ ニポーラ動作であるため高速動作が可能であるが，耐 圧に応じてオン抵抗も上昇するため低耐圧・高周波デ バイスとして用いられる。ゲート部が素子の表面にあ り，チャネルが素子面と平行になるプレーナゲート MOSFET に対し，トレンチゲート MOSFET では素 子に溝を形成してゲート部を溝内に埋め込み，チャネ ルを素子面に対して垂直方向にしている。 （＊ 9）パワーディスクリート パワー素子の IGBT や MOSFET を 1 素子，またはそ れに逆並列にダイオードが挿入された 1 in 1 と呼ばれ る回路から構成されるパワー半導体である。形状は， 汎用的にピンレイアウトが決まっており，TO-220 や TO-3P などがある。小容量タイプの PC 電源，無停 電電源装置，液晶ディスプレイ，小型モータの制御回 路などに使われている。
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 め，機器に搭載する電源の小型・薄型化に貢献する半 導体スイッチング素子の需要が高まっている。富士電 機では，従来のプレーナ型のパワー MOSFET に替わ り，損失と耐圧のトレードオフ改善にブレークスルー をもたらしたスーパージャンクション構造⑺を採用した SJ-MOSFET （＊ 10） 「Super J MOS シリーズ」を提供してき ている⑻，⑼。最新のシリーズに対し，さらに小型で薄型の 面実装タイプ品の開発を進めている。 パワー IC（＊ 11）製品としては，情報通信機器や薄型 TV といった民生機器向けに電源 IC を製品化している。ま た，車載用途としてはエンジン，トランスミッション， ブレーキなどの電装システム向けに IPS（Intelligent Power Switch）や圧力センサを製品化している。 省エネや環境対応のため自動車の電動化が進展して いるが，ガソリンエンジン車，ディーゼルエンジン車 においても，低燃費化や大気汚染物質排出量の低減 が求められており，圧力センサが貢献している。吸気 系では低燃費のために，圧力センサを使って空気と燃 料の混合比を高度に制御している。また，排気系では， 排出ガスのクリーン化のために，圧力センサを使って 燃焼後のガスを再循環する量を高度に制御している。 吸気系や排気系に，大気以外に混入する排出ガスなど に対する耐腐食性，電荷を持つ気化燃料に対する耐帯 電性が求められている。また，燃料タンクからの漏れ を検出する圧力センサも用いられている。 富士電機では 1984 年に車載用圧力センサの量産を 開始し，これまで国内外の自動車に採用されている。 2010 年からは，デジタルトリミング型の第 6 世代圧 力センサを量産している ⑽ 。さらに，この第 6 世代圧力 センサをベースにして，省エネ，環境対応ニーズに対 応した耐腐食性能・耐帯電性能の付与，高温動作保証， 小型化を実現した第 6.5 世代車載用圧力センサを開発 した。 パワー半導体の開発状況 富士電機のパワー半導体の開発状況について概要を 述べる。詳しくは本稿に続く各論文を参照されたい。
4 . 1 SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モ
ジュール 富士電機では，これまで，銅ピン接合と樹脂封止技 術を用い，定格容量 1,200 V/100 A までの All-SiC モ ジュールを開発してきた。さらに容量を拡大するた めに，新構造パッケージを開発した。本パッケージ に，低オン抵抗と高速スイッチング特性を兼ね備え た SiC トレンチゲート MOSFET を搭載し，定格容 量 1,200 V/400 A の All-SiC 2 in 1 モジュールを実現し た（表 ）。本パッケージでは，大電流動作に対応す るために，主端子にはねじ端子を採用し，主回路配線 には低インダクタンス化が可能なラミネートブスバー を採用した。また，本パッケージの構造は，絶対最大 定格電圧 1,700 V までの拡張を可能としている。開発 した All-SiC モジュールは Si-IGBT モジュールに対し，
ターンオン損失を約 87%，ターンオフ損失を約 74%， 逆回復損失を約 95% 低減した。これにより，総スイッ チング損失を約 84% 低減することができる（209 ペー ジ“SiC ト レ ン チ ゲ ー ト MOSFET 搭 載 All-SiC モ
ジュール”参照）。 4 . 2 SiC-MOSFET のバイポーラ劣化抑制のための バッファ層技術 SiC-MOSFET の寄生ダイオードであるボディダイ オードに通電すると，SiC エピタキシャル層中に積層 欠陥が拡大し，素子抵抗が増大する。この現象はバイ ポーラ劣化と呼ばれている。積層欠陥は，バイポーラ 動作により起こるホールと電子の再結合のエネルギー が基板界面近傍の積層欠陥に与えられることで拡大す る⑾。そこで，エピタキシャル層と基板の界面にホール キャリア寿命の短いバッファ層を挿入し，この層で大 （＊ 10）SJ-MOSFET ドレイン，ソース電極が素子の対向面に形成される縦 型パワー MOSFET において，従来は低濃度の n 層で ドリフト層を形成していた。これに対し，ドリフト層 を周期的な pn カラム構造にしたものが，スーパージャ ンクション（SJ）-MOSFET である。SJ-MOSFET は， 従来の MOSFET と比較して，素子のRon・A 耐圧と オン抵抗のトレードオフ特性を大幅に改善することが できる。 （＊ 11）パワー IC パワー素子と制御・保護回路を一つの半導体チップ 上に集積した高耐圧 IC である。パワーエレクトロニ クス機器の小型化や低消費電力化が可能となり，産 業，車載， 民生の各用途に応じて数十 V クラスから 1,200 V クラスまでのものが製品化されている。 表 1 All-SiC 2 in 1 モジュールのラインアップ 項 目 タイプ1 タイプ2 タイプ3L 外形寸法（mm） W68 × D 26 × H 13 W68 × D 26 × H 13 W126 × D 45 × H 13 外 観 定 格 電圧（V） 1,200 電流（A） 25, 50 75, 100 200, 300, 400 端 子 主端子 ソルダーピン ねじ端子 補助端子 ソルダーピン 接続先 主端子 プリント基板 ブスバー 補助端子 プリント基板
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 部分の再結合を起こさせることで，基板欠陥近傍での 再結合を減少させることを試みた。その結果，バッ ファ層の導入により積層欠陥の拡大は抑制され，バイ ポーラ劣化を起こさなくなることが確認できた（214 ページ“SiC-MOSFET のバイポーラ劣化抑制のため のバッファ層技術”参照）。 4 . 3 配電機器向け 3.3 kV 耐圧 All-SiC モジュール 富士電機では，2014 年 9 月から国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプ ロジェクトである“分散型エネルギー次世代電力網構 築実証事業”に参画し，太陽光発電を中心とした再生 可能エネルギーの導入拡大および電力・機器システム 産業における国際競争力の維持・向上に資することを 目的として，SiC パワー半導体を用いた次世代電圧調 整機器（配電機器）およびその制御システムの開発を 行っている。 SiC パワー半導体を用いた次世代の配電機器向けと して 3.3 kV 耐圧 All-SiC モジュールを開発した（表 ）。 この All-SiC モジュールでは，Si-IGBT モジュールに
対してインバータ発生損失を 64% 低減したことによ り，従来の Si-IGBT モジュールではサイズの制約上 不可能であった単柱に装柱可能な配電機器が実現でき る。また，モジュール構造として富士電機が既に量産 している 1.2 kV 耐圧モジュールのコンセプト（銅ピン 接合，樹脂封止構造）を用い，Si-IGBT に比べて 120 倍以上のパワーサイクル耐量を持ち，配電機器向けと して十分な耐量を実現した（219 ページ“配電機器向 け 3.3 kV 耐圧 All-SiC モジュール”参照）。 4 . 4 第 7 世 代「X シ リ ー ズ 」1,700 V IGBT モ ジュール“PrimePACK™ 〈注〉 ” 電力変換装置の高効率化，小型化，高信頼性化に 応えるために，第 7 世代「X シリーズ」1,700 V IGBT モジュール“PrimePACK™”を開発した（表 ）。従 来製品と比べて，IGBT においては，微細化技術と薄 ウェーハ技術により，ターンオフ損失を約 11% 改善 した。FWD においては，ドリフト層を薄くするとと もにライフタイム制御の最適化により逆回復損失を 約 16% 改善した。これにより，消費電力を約 13.8% （キャリア周波数 1 kHz）低減し，電力変換装置の高効 率化を実現した。また，パッケージにも第 7 世代の技 術を適用し，同型パッケージで従来品「V シリーズ」 の最大定格電流 1,400 A に対して 1,800 A 品を製品化 し，最大定格電流を約 29% 拡大することにより，業 界トップクラスの定格電流を実現した。さらに，連続 動作時接合温度Tvjopの 175 ℃化を実現した（224 ペー ジ“第 7 世代「X シリーズ」1,700 V IGBT モジュール “PrimePACK™”参照）。 4 . 5 大容量 SiC ハイブリッドモジュール「HPnC」 富士電機では，電力変換装置の大容量化かつ小型化 の要求に対応し，電鉄用途にも適した大容量 SiC ハイ ブリッドモジュール「HPnC」を開発している。HPnC で は 第 7 世 代 X シ リ ー ズ IGBT チ ッ プ と SiC-SBD チップを採用したハイブリッドモジュールのライン
〈注〉PrimePACK ™： Infi neon Technologies AG の商標または 登録商標 表 3 X シリーズ PrimePACK™のラインアップ パッケ ージ 定 格 型 式 Tvjop 電 圧 電 流 M271 1,200 V 900 A 2MBI900XXA120P-50 175 ℃ 1,200 A 2MBI1200XXE120P-50 1,700 V 900 A 2MBI900XXA170-50 1,200 A 2MBI1200XXE170-50 M272 1,200 V 1,400 A 2MBI1400XXB120P-50 1,800 A 2MBI1800XXF120P-50 1,700 V 1,000 A 2MBI1000XXB170-50 1,400 A 2MBI1400XXB170-50 1,800 A 2MBI1800XXF170-50 約 40 % 改善 従来品 出力電流：450 A C：5 kHz 4,441 SiC ハイブリッド 出力電流：450 A C：5 kHz rr f off on sat 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 インバータ発生損失（W） 2,676 図 2 インバータ発生損失シミュレーション結果 表 2 3.3 kV 耐圧 All-SiC モジュール 外形寸法 W98×D65×H21（mm） 定 格 3,300 V/200 A モジュール構成 1 in 1 外 観
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 アップを検討している。パッケージは他社モジュール との取付け互換性を確保しつつ，従来モジュールであ る HPM（High Power Module）と比較して低インダ クタンス化によるサージ電圧の抑制，さらなるスイッ チングスピードの高速化や並列接続による大電流化 に対応するとともに，端子接合に超音波接合を採用 して RoHS 指令にも対応した。IGBT チップの特性改 善，SiC-SBD チップの採用により，インバータ発生損 失を従来品から約 40% 改善できることを確認した（図 ）（228 ページ“大容量 SiC ハイブリッドモジュール 「HPnC」”参照）。 4 . 6 第 7 世 代「X シ リ ー ズ 」 産 業 用 RC-IGBT モ ジュールの系列化 富士電機では，第 7 世代のチップ技術とパッケージ 技術を組み合わせた X シリーズにおいて，RC-IGBT を搭載した産業用モジュールの系列化を進めている。 RC-IGBT は IGBT と FWD をワンチップ化すること により，チップ数，素子面積の低減や放熱性の増大を 図ることができる。さらに，X シリーズのパッケージ 技術により熱抵抗を大幅に下げた。これにより，X シ リーズ RC-IGBT モジュールでは接合温度上昇ΔTvjを 大幅に下げ，ΔTvjパワーサイクル耐量が劇的に向上し た。従来と同等のパワーサイクル耐量の場合では高出 力化を，同等の出力の場合では高信頼性化を図ること ができる。この X シリーズ RC-IGBT モジュールの特 長を生かし，定格電流を従来の 600 A から 1,000 A ま で拡大した X シリーズ「Dual XT」を開発した（表 ，表 ）（233 ページ“第 7 世代「X シリーズ」産業 用 RC-IGBT モジュールの系列化”参照）。 4 . 7 車載用大容量 IGBT モジュール「M660」 HEV や EV の電気モータを動作させるインバータに おいて，重要なキーコンポーネントの一つが IGBT モ ジュールである。車載用 IGBT モジュールには，バッ テリ電力を効率よく利用するための低損失化に加え， 限られたスペースに搭載するために小型・軽量化など が求められる。また，一般産業用途よりもさらに高 い信頼性が求められる。これに加えて，大容量化も 同時に実現しなければならない。そこで，富士電機は， 他 社 に 先 駆 け て 直 接 水 冷 方 式 を 用 い た 車 載 用 大 容 量 IGBT モジュールを開発している。車載用大容量 IGBT モジュール「M660」においては，内部配線に 従来のワイヤに替わりリードフレームを採用した（図 ）。また，樹脂封止構造とすることにより，製品の 小型化とパワーサイクル耐量の向上を行った。さらに， 従来よりも特性を改善した RC-IGBT チップの採用と ウォータージャケット一体型冷却構造の最適化により， 汎用 6 in 1 IGBT モジュールとしては世界最大容量の 定格 750 V/1,200 A を実現した（238 ページ“車載用大 容量 IGBT モジュール「M660」”参照）。 4 . 8 第 6.5 世代車載用圧力センサ 圧力センサは，自動車の環境負荷を低減するための エンジンマネジメントを高精度化し，燃費効率を向上 するためのキーデバイスの一つである。富士電機では 第 6 世代圧力センサをベースに，耐腐食性能や耐帯電 性能を向上し，150 ℃の動作を保証しつつパッケージ サイズを小型化した第 6.5 世代車載用圧力センサを開 発した（図 ）。すすなどの外来異物からセンサチッ プやワイヤを保護するためにゲル状保護材で被覆して いる。しかし，排出ガス，ガソリンおよび軽油の気化 燃料は，この保護材を透過してチップ表面のボンディ 表 4 「Dual XT」のラインアップ 定格電圧 1,200 V 定格電流（A） 225 300 450 600 800 900 1,000 Dual XT VシリーズIGBT＋ VシリーズFWD XシリーズIGBT＋XシリーズFWD XシリーズRC-IGBT 表 5 「Dual XT」の特徴 定格電圧 1,200 V
代表型式 2MBI600 VN-120-50 2MBI800XNE120-50 2MBI1000XRNE120-50 シリーズ名 第6世代Vシリーズ IGBTモジュール 第7世代Xシリーズ IGBTモジュール 第7世代Xシリーズ RC-IGBTモジュール チップ VシリーズIGBT＋VシリーズFWD XシリーズIGBT＋XシリーズFWD XシリーズRC-IGBT 熱抵抗：Rth（j-c）（a.u.） 1/1.5 （IGBT/FWD） 0.85/1.1 （IGBT/FWD） 0.55/0.55 （IGBT/FWD） U U N P N P （a）ワイヤボンディング接続 （b）リードフレーム構造 図 3 ハーフブリッジ回路内部レイアウトの例
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 ングパッドを腐食することがある。そこでこの腐食を 防ぐために，腐食防止部を採用した。また，圧力を電 気信号に変えるピエゾ抵抗体を配置したダイヤフラム の可撓（かとう）部に対し，ポリシリコンを用いた シールド構造を採用し，構造を最適化することにより 帯電粒子の付着によるピエゾ抵抗値の変動を抑制し て耐帯電性を向上させた。さらに，回路ブロックの 温度特性の最適化を図ることにより，高温動作領域に おける特性の悪化を抑制し，高温動作保証温度を従来 製品の 125 ℃から 150 ℃まで上げた。このように，耐 腐食性，耐帯電性の付与，保証温度の高温化を図りつ つ，パッケージサイズは第 6 世代品に対し，体積比で 約 48% に低減させた（242 ページ“第 6.5 世代車載用 圧力センサ”参照）。 4 . 9 650 V 耐 圧 PWM 電 源 制 御 IC「FA8A80 シ リーズ」 電子機器向けのスイッチング電源においては，高効 率化，低待機電力化および小型化が求められている。 加えて，新興国などでは，経済の発展に伴い電子機器 の普及が進んでいる一方で，電源事情が不安定な場合 がある。そのため，電源ラインからの高いサージに対 する耐量の確保など安全性向上の要求がますます強く なっている。 富士電機はこれまでに，高効率で，かつ低待機電 力 機 能 を 内 蔵 し た 小 型 パ ッ ケ ー ジ（SOP-8：Small Outline Package）のスイッチング電源制御用カレン トモード PWM（＊ 12）-IC「FA8A60 シリーズ」を製品化し ている。今回，FA8A60 シリーズの優れた特徴を保 持しつつ，新たに電源装置の小型化や，安全性を向 上する機能を内蔵した 650 V 耐圧 PWM 電源制御 IC 「FA8A80 シリーズ」を開発した。FA8A60 シリーズ をベースに，AC 電源に接続される高圧入力端子の最 大印加電圧を 500 V から 650 V へと高耐圧化させると 同時に，起動素子（VH）端子の ESD（静電気放電） 耐量を 2 kV に改善することによりサージ耐量を向上 させた（表 ）。 加えて異常時に電源動作を停止させる異常検出信号 入力（LAT）端子の特性改善により，IC の保護対策 部品を削減でき電源装置の小型化につながる（246 ペー ジ“650 V 耐 圧 PWM 電 源 制 御 IC「FA8A80 シ リ ー ズ」”参照）。 4 . 1 0 DFN8×8 パッケージの「Super J MOS S2 シリーズ」「Super J MOS S2FD シリーズ」 エネルギー消費の増加に伴い，電気機器における電 力変換部の高効率化が求められている。加えて，電気 機器の設置スペースを確保するため電力変換部の小型 化も重要な要求の一つである。富士電機では，搭載機 器の消費電力削減に貢献する素子の低損失化の要求に 応えるために「Super J MOS シリーズ」を提供して きている。最新シリーズである「Super J MOS S2 シ リーズ」（S2 シリーズ）および S2 シリーズの寄生ダ イオードを高速化した「Super J MOS S2FD シリー ズ」（S2FD シリーズ）において，従来の D2-PACK パッケージよりも小型で薄型の面実装タイプである DFN8×8 パッケージを系列に加えた（図 ）。DFN8 ×8 パッケージはリード端子を持たない表面実装用の （＊ 12）PWM
Pulse Width Modulation（パルス幅変調）の略である。 スイッチング素子を用いた電力制御の方式の一つであ る。DC 入力に対し，一定周波数でオン・オフを繰り 返し，オンの時間幅を変化させることで出力を変化さ せる。インバータで DC-AC 変換を行う際などに一般 的に用いられている。 （a）第 6.5 世代 （b）第 6 世代 図 4 車載用圧力センサ 表 6 「FA8A80 シリーズ」の機能概要 項 目 FA8A80シリーズ FA8A60シリーズ 起動素子 内 蔵 高圧入力端子最大印加電 圧 650 V 500 V 高圧入力端子ESD耐量 （HBM） ±2 kV +1 kV/−2 kV LAT端子最大シンク電 流 500 µA 100 µA 外部ラッチ機能 内 蔵 スイッチング周波数低減 機能 内 蔵 周波数低減状態設定機能 内 蔵 バースト動作調整機能 内 蔵 過負荷保護レベル 交流入力電圧補正機能 内 蔵 パワーオフモード 内 蔵 待機電力（無負荷時） 30 mW以下
現状と展望 パワー半導体の現状と展望 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 構造であり，D2-PACK のようなリード端子を持った パッケージよりもプリント基板への高密度実装が可能 である。DFN8×8 パッケージは D2-PACK と比べて， 実装面積を 58%，パッケージ高さを 81%，パッケージ 体積を 92% それぞれ減少できる。さらに，D2-PACK 品に対して単位実装面積当たりのオン抵抗を 52% 低 減し，単位実装体積当たりのオン抵抗は 91% 低減し ている。また，サブソース端子を設けることにより， ゲート駆動回路からソース配線のインダクタンスの影 響を取り除くことが可能であるため，標準的な 3 端子 パッケージ品である TO-220 と比較してスイッチング 損失を 30% 低減している。そのため，従来のパッケー ジ製品よりも電源の高周波動作が可能となり，電源の 小型化・高電力密度化への貢献が期待できる（251 ペー ジ“DFN8×8 パッケージの「Super J MOS S2 シリー ズ」「Super J MOS S2FD シリーズ」”参照）。 あとがき 富士電機は，創業以来，エネルギー技術の革新に取 り組んできており，経営方針として“エネルギー・環 境技術の革新により，安全・安心で持続可能な社会の 実現に貢献”を掲げている。パワーエレクトロニクス 技術は，ますますニーズが高まる省エネルギー化，低 炭素化，環境保全を牽引（けんいん）するものであり， このキーデバイスであるパワー半導体の技術革新を通 じて，持続可能な社会の実現に貢献していく所存であ る。 参考文献 ⑴ 手塚伸一ほか. 第2世代小容量IPMの系列化. 富士電機 技報. 2016, vol.89, no.4, p.261-265. ⑵ 川端潤也ほか. 第7世代「Xシリーズ」IGBTモジュール. 富士電機技報. 2015, vol.88, no.4, p.254-258.
⑶ Thomas Heinzel. et al. “The New High Power Density 7th Generation IGBT Module for Compact
Power Conversion Systems”, Proc. PCIM Europe 2015.
⑷ 郷原広道ほか. ハイブリッド自動車用IPMパッケージ 技術. 富士電機技報. 2013, vol.86, no.4, p.258-262. ⑸ 荒井裕久ほか. 車載用第3世代直接水冷パワーモジュー ル. 富士電機技報. 2015, vol.88, no.4, p.269-273. ⑹ 仲村秀世ほか. All-SiCのパッケージ技術. 富士電機技 報. 2015, vol.88, no.4, p.241-244.
⑺ Fujihira, T. “Theory of Semiconductor Superjunction
Devices”, Jpn. J. Appl. Phys, vol.36, p.6254-6262.
⑻ 渡 邉 荘 太 ほ か. 第2世 代 低 損 失SJ-MOSFET「Super
J MOS S2 シリーズ」. 富士電機技報. 2015, vol.88, no.4,
p.292-295. ⑼ 渡邉荘太ほか. 高速ダイオードを内蔵した第2世代低損 失SJ-MOSFET「Super J MOS S2FD シリーズ」. 富士電 機技報. 2016, vol.89, no.4, p.289-293. ⑽ 西川睦雄ほか. 第6世代小型圧力センサ. 富士時報. 2010, vol.83, no.6, p.420-424.
⑾ Maeda, K. et al. Mater. Sci. Forum 725（2012）35.
藤平 龍彦 電子デバイスの研究開発に従事。現在，富士 電機株式会社電子デバイス事業本部開発統括 部長。工学博士。電気学会会員，応用物理学 会会員，日本金属学会会員，IEEE 会員。 宝泉 徹 パワー半導体の経営全般に従事。現在，富士 電機株式会社執行役員，電子デバイス事業本 部副本部長。電気学会会員。 栗原 俊治 電子デバイスの生産部門に従事。現在，富士 電機株式会社電子デバイス事業本部生産統括 部長。 8 15.24 10 （単位：mm） ゲート ゲート リード端子 サブソース ソース ドレイン （裏面） ドレイン （裏面） ソース t：0.85 t：4.5 8 （a）DFN8×8 パッケージ （b）D2-PACK パッケージ 図 5 DFN8×8 パッケージの外観
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 まえがき 地球温暖化などの環境問題への対応や低炭素社会の実現 のためには，電力変換機器の省エネルギー（省エネ）化や 再生可能エネルギーの積極的な活用が必要である。効率的 な電力変換において重要な役割を担っているのが，パワー 半導体である。これまで，半導体材料として主流であった シリコン（Si）を使用した半導体デバイスは，特性改善が 進められているものの，既にその材料物性に基づく理論的 特性限界に近づいている。そこで，次世代半導体材料とし てワイドバンドギャップ半導体である炭化けい素（SiC） が注目されている。SiC デバイスは，Si デバイスよりも大 幅に低損失化が可能であるため，さらなる省エネ化への貢 献が期待されている。 富士電機は，2013 年に松本工場にて図 に示す業界初 の 6 インチ SiC ウェーハを適用した製造ラインの稼動を 開始した。2014 年には，メガソーラー用パワーコンディ
ショナ（PCS：Power Conditioning System⑴）の昇圧回路 向 け に，SiC-MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Eff ect Transistor） と SiC-SBD（Schottky Barrier
Diode）を組み合わせた All-SiC チョッパモジュールを開
発し，生産を開始した。この All-SiC チョッパモジュール は，世界最高レベルである 98.8% の変換効率を達成する とともに，従来の PCS に比べて約 60% の小型化に貢献し ている。さらに，2016 年には All-SiC 2 in 1 モジュールを 開発し，その低損失，高温動作保証，高信頼性，低熱抵抗 という特長を生かし，全閉自冷タイプインバータ（IP65 インバータ）を実現した⑵。 既 に 富 士 電 機 で は， 最 大 定 格 容 量 が 1,200 V/100 A の All-SiC モジュールを開発した ⑶ 。パワーモジュールの容量 のさらなる拡大への要求に応えるために，大容量の新構造 パッケージを開発している。本パッケージに，低オン抵抗 と高速スイッチング特性を兼ね備えた第 1 世代 SiC トレン チゲート MOSFET を搭載し，定格容量 1,200 V/400 A の All-SiC 2 in 1 モジュールについて述べる。 All-SiC 2 in 1 モジュールのラインアップ 表 に，All-SiC 2 in 1 モジュールのラインアップを示す。 定格電流ごとにタイプ 1，タイプ 2，タイプ 3 L の新構造 パッケージをラインアップしている。これまでの最大定格 であるタイプ 2 モジュールの 1,200 V/100 A に対し，新た に開発した大容量タイプ 3 L パッケージを採用し，最大定 格 1,200 V/400 A 2 in 1 モジュールを実現した。
SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モジュール
中沢 将剛 NAKAZAWA,Masayoshi 大長 規浩 DAICHO,Norihiro 辻 崇 TSUJI,Takashi
All-SiC Modules Equipped with SiC Trench Gate MOSFETs
電力変換装置のさらなる高効率化，小型化，大容量化の要求に対し，これを実現する SiC モジュールの製品化への期待 が高まっている。富士電機は，これまで独自の新構造パッケージにて，定格容量 1,200 V/100 A までの All-SiC モジュール
を製品化してきた。この新構造パッケージは，SiC モジュールの高性能化や高信頼性を実現している。今回，定格容量を拡 大するため，新たに大容量新構造パッケージを開発した。本パッケージに，低オン抵抗と高速スイッチング特性を兼ね備 えた SiC トレンチゲート MOSFET を搭載することにより，定格容量 1,200 V/400 A の All-SiC モジュールを実現した。
There are increasing expectations placed on products that utilize SiC modules to achieve higher effi ciency, smaller size and larger capac-ity in power conversion equipment. Fuji Electric has been producing products that incorporate All-SiC modules with a rated capaccapac-ity of up to 1,200 V/100 A in a package with a new structure. This package achieves higher performance and higher reliability for SiC modules. In order to expand the rated capacity, Fuji Electric has recently developed a large-capacity package with a new structure. This new package utilizes an All-SiC module with a rated capacity of 1,200 V/400 A, being equipped with a SiC trench gate MOSFET that achieves both low on-resistance and high-speed switching characteristics.
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モジュール
All-SiC モジュールの要素技術 3 . 1 大容量新構造パッケージ All-SiC モジュール用に開発した新構造パッケージと， Si-IGBT モジュール用の従来構造パッケージの比較を図 に示す⑷。従来パッケージでは，配線にはアルミニウムボン ディングワイヤを，絶縁用の封止樹脂にはシリコーンゲル 樹脂を，絶縁基板には薄銅セラミックス絶縁基板を採用 していた。これに替わり，新構造パッケージでは，配線に はインプラントピンを，封止樹脂には高耐熱エポキシ樹脂 を，絶縁基板には厚銅セラミックス絶縁基板を採用してい る。これにより，SiC チップを多数並列接続した高密度実 装，内部のインダクタンスの低減，低熱抵抗化，高信頼性 を実現している。 これらの技術を基にした大容量新構造パッケージの開発 ポイントは，次に示す 3 点である。 ⒜ 主端子とラミネートブスバーとの容易な接続 ⒝ 補助端子とプリント基板との容易な接続 ⒞ 端子間，対地間絶縁距離の確保と低インダクタンス の両立 入力側の電源とパワーモジュールとを接続し，低インダ クタンスとするためには，ラミネートブスバーが望ましい。 ラミネートブスバーとパワーモジュールとの接続に用いら れるねじ端子構造を，今回の大容量新構造パッケージにも 採用した。このねじ端子構造は，外部端子とその上部に位 置するねじ穴のついた銅バーとをレーザ溶接によって接合 することで実現している。 また，高速・高周波スイッチングのためには，ゲート− ソース間の配線のインダクタンスを小さくする必要がある。 このため，補助端子は回路基板をはんだ付で直接接続でき るソルダーピンとし，ゲートドライバ回路をモジュールの 直近に配置できるようにした。 加えて，絶縁性は IEC 60077， IEC 62497 に準拠し，絶 対最大定格電圧を 1,700 V まで拡張可能な外形にするため には，十分な絶縁距離を確保する必要があるが，パッケー ジが大型化してしまうという問題があった。また，電流の 高速遮断時のサージ電圧を抑制するためには，モジュール の内部インダクタンスは小さくなければならないという課 題があった。そこで，本パッケージは，これまでのタイプ 2 パッケージと同様の低背型の外形にすることにより，十 分な絶縁距離を確保するとともに主回路経路を短縮し，低 インダクタンス化を図った。 3 . 2 1,200 V 定格耐圧 SiC トレンチゲート MOSFET 富士電機はこれまで，プレーナゲート MOSFET を搭載 した All-SiC モジュールを製品化してきた。一般的に，プ レーナゲート MOSFET のさらなる単位面積当たりのオン 抵抗を低減するためには，セルピッチの微細化が有効であ る。しかし，過度に微細化すると JFET（Junction Field
-Eff ect Transistor）抵抗が増加してしまい，オン抵抗も下 げ止まってしまう。 そこで，トレンチゲート MOSFET にすることにより， 微細化による JFET 抵抗成分の増加を抑えることができ， 低オン抵抗化が可能となる。図 に，今回開発した SiC ト レンチゲート MOSFET の断面構造と，チップの外観を示 す⑸。 低オン抵抗化と誤動作しない高いしきい値電圧とを両立 するために，セルピッチの微細化と，チャネル長の最適化 を行った。さらに酸化膜の信頼性を向上させるために，ト レンチ底のゲート酸化膜を p ウェルで囲い，ゲート酸化 膜への高い電界を緩和した。さらに，図 に示すように， トレンチ底の p ウェル（図中 A）とソースに接続した p ウェル（図中 B）とで挟まれた JFET 領域（図中 C）を最 適化した。 表 1 All-SiC 2 in 1 モジュールのラインアップ 項 目 タイプ1 タイプ2 タイプ3L 外形寸法（mm） W68 × D 26 × H 13 W68 × D 26 × H 13 W126 × D 45 × H 13 外 観 定 格 電圧（V） 1,200 電流（A） 25, 50 75, 100 200, 300, 400 端 子 主端子 ソルダーピン ねじ端子 補助端子 ソルダーピン 接続先 主端子 プリント基板 ブスバー 補助端子 プリント基板 外部端子 高耐熱エポキシ樹脂 シリコーンゲル 端子 金属ベース セラミックス絶縁基板 パワーチップ アルミニウムワイヤ 端子ケース SiC-MOSFET SiC-SBD 銅ピン パワー 基板 セラミックス 絶縁基板 （ｂ）従来構造パッケージ （ａ）新構造パッケージ 図 2 パッケージの構造比較
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SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モジュール
前述したトレンチゲート MOSFET の採用と各種パラ メータの最適化により，世界最高レベルのオン抵抗 3.5 mΩ・cm2 ， し き い 値 電 圧 5 V の 1,200 V 定 格 耐 圧 SiC -MOSFET を実現した。 1,200 V/400 A All-SiC 2 in 1 モ ジ ュ ー ル の特性 4 . 1 出力特性 大容量新構造パッケージにトレンチゲート MOSFET を 搭 載 し た All-SiC モ ジ ュ ー ル（1,200 V/400 A 定 格 品 ） と 比 較 す る た め に 第 7 世 代「X シ リ ー ズ 」Si-IGBT モ ジュール（1,200 V/450 A 定格品⑹）の出力特性を図 に示す。 MOSFET は IGBT のようなビルトイン電圧がないので， All-SiC モジュールの連続運転時の定常損失は Si-IGBT モ
ジュールよりも低い。 4 . 2 スイッチング特性 図 に，All-SiC モジュールのターンオン，ターンオフ， 逆回復時のスイッチング波形を示す。誤動作なく安定した 波形を示している。 （a）断面構造 （b）外 観 ゲート ソース ドレイン ソース電極 p ベース SiO2 n+ 基板 n−ドリフト層 n+ p+ C A C n+ p+ p ベース p+ n n p+ B B ゲー ト p+ 図 3 SiC トレンチゲート MOSFET の断面構造とチップの外観 連続運転時 0 1.0 2.0 3.0 4.0 オン電圧 on（V） 100 150 200 250 300 350 400 50 0 出力電流 o （A） vj=175 ℃, Si-IGBT モジュール： GE=＋15 V All-SiC モジュール： GS=＋20 V Si-IGBT モジュール 450 A 定格品 All-SiC モジュール 400 A 定格品 図 4 出力特性比較 ターンオン ターンオフ 逆回復 GS：10 V/div D ：200 A/div F ：200 A/div ：200 ns/div ：200 ns/div ：200 ns/div DS：200 V/div vj=175 ℃, CC=600 V, D=400 A, GS=＋20 V/−3 V, g (on/off)=11 Ω GS：10 V/div D ：200 A/div DS：200 V/div R ：200 V/div 図 5 All-SiC モジュールのスイッチング波形（1,200 V/400 A） 0.1 1 10 100 ゲート抵抗 G（Ω） 300 50 100 150 200 250 0 ターンオン損失 on （mJ/pulse） vj=175 ℃, CC=600 V, D=400 A, Si-IGBT モジュール： GE=＋15 V/−15 V All-SiC モジュール： GS=＋20 V/−3 V 推奨ゲート抵抗 Si-IGBT モジュール 450 A 定格品 All-SiC モジュール 400 A 定格品 約 87 % 低減 図 6 ターンオン損失 0.1 1 10 100 ゲート抵抗 G（Ω） 300 50 100 150 200 250 0 ターンオフ損失 off （mJ/pulse） vj=175 ℃, CC=600 V, D=400 A, Si-IGBT モジュール： GE=＋15 V/−15 V All-SiC モジュール： GS=＋20 V/−3 V 推奨ゲート抵抗 Si-IGBT モジュール 450 A 定格品 All-SiC モジュール 400 A 定格品 約 74% 低減 図 7 ターンオフ損失
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エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モジュール
ターンオン損失の比較を図 に，ターンオフ損失の比較 を図 に，逆回復損失の比較を図 に，トータルスイッチ ング損失の比較を図 に示す。All-SiC モジュールは，第 7 世代 X シリーズ Si-IGBT モジュールに対し，ターンオ ン損失を約 87%，ターンオフ損失を約 74%，逆回復損失 を約 95% 低減している。これにより，トータルスイッチ ング損失を約 84% 低減した。 4 . 3 インバータ発生損失シミュレーション インバータに搭載した All-SiC モジュールと第 7 世代 「X シリーズ」Si-IGBT モジュールの一般的な使用条件に おける発生損失について，シミュレーションで求めた結果 を図 に示す。All-SiC モジュールのインバータ発生損 失は，Si-IGBT モジュールに対して約 57% 低減する。 図 に，発生損失のキャリア周波数依存性をシミュ レーションで求めた結果を示す。All-SiC モジュールは， Si-IGBT モジュールに対してスイッチング損失が非常に 小さい。そのため，高キャリア周波数化により DC リアク トルや絶縁トランスなどの受動部品は大幅に小型化するこ とができる。例えば，鉄道車両用の補助電源装置では，従 来の商用周波絶縁方式に対し，装置を約 1/2 に小型・軽量 化できる ⑺ 。 あとがき
SiC ト レ ン チ ゲ ー ト MOSFET を 搭 載 し た All-SiC モ
ジュールについて述べた。新たに開発した新構造大容量 パッケージに SiC トレンチゲート MOSFET を搭載するこ とにより，1,200 V/400 A 定格 2 in 1 モジュールを実現した。 今後は，さらなる All-SiC モジュールの高電力密度化やラ インアップの拡充により，各種電力変換装置の小型化，高 効率化，高信頼性化に貢献していく所存である。 本開発の一部は，共同研究体 つくばパワーエレクトロ ニクスコンステレーション（TPEC）殿の事業として行わ れた。関係各位に謝意を表する。 参考文献 ⑴ 大島雅文ほか. All-SiCモジュール搭載のメガソーラー用
PCS「PVI1000 AJ-3/1000」. 富士電機技報. 2015, vol.88, no.1,
0.1 1 10 100 ゲート抵抗 G（Ω） 300 50 100 150 200 250 0 逆回復損失 rr （mJ/pulse） vj=175 ℃, CC=600 V, D=400 A, Si-IGBT モジュール： GE=＋15 V/−15 V All-SiC モジュール： GS=＋20 V/−3 V 推奨ゲート抵抗 Si-IGBT モジュール 450 A 定格品 All-SiC モジュール 400 A 定格品 約 95% 低減 図 8 逆回復損失 0.1 1 10 100 ゲート抵抗 G（Ω） 600 100 200 300 400 500 0 トータルスイッチング損失 total （mJ/pulse） vj=175 ℃, CC=600 V, D=400 A, Si-IGBT モジュール： GE=＋15 V/−15 V All-SiC モジュール： GS=＋20 V/−3 V 推奨ゲート抵抗 Si-IGBT モジュール 450 A 定格品 All-SiC モジュール 400 A 定格品 約 84% 低減 図 9 トータルスイッチング損失 186 81 約 57 % 低減 450 A 定格品 Si-IGBT 400 A 定格品 All-SiC 250 200 150 100 50 0 インバータ発生損失（W） o=60 Hz, c=4 kHz, CC=600 V, o=140 Arms, 力率=0.9, 変調率=1.0, 三相変調 逆回復損失 ダイオード 導通損失 ターンオフ損失 ターンオン損失 スイッチング素子 導通損失 図 1 0 インバータ発生損失のシミュレーション結果 0 5 10 15 20 キャリア周波数 C（kHz） 100 1,000 0 0 100 10 200 20 300 30 400 40 500 50 600 60 700 70 800 80 900 90 インバータ発生損失（ W ） 発生損失比率 All -SiC モジュール / Si -IGBT モジュール（ %） o=60 Hz, CC=600 V, o=140 Arms, 力率=0.9, 変調率=1.0, 三相変調 Si-IGBT モジュール All-SiC モジュール 発生損失比率 図 1 1 インバータ発生損失のキャリア周波数依存性
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
SiC トレンチゲート MOSFET 搭載 All-SiC モジュール
p.13-17.
⑵ 蝶名林幹也ほか. All-SiC 2 in 1モジュール. 富士電機技報.
2016, vol.89, no.4, p.238-241.
⑶ Iwasaki, Y. “All-SiC Module with 1 st Generation Trench
Gate SiC MOSFETs and New Concept Package”. PCIM
Europe 2017.
⑷ 仲村秀世ほか. All-SiCモジュールのパッケージ技術. 富士
電機技報. 2015, vol.88, no.4, p.241-244.
⑸ 辻崇ほか. 1.2 kV SiCトレンチゲートMOSFET. 富士電機技
報. 2016, vol.89, no.4, p.234-237.
⑹ Yoshida, K. “Power Rating extension with 7th generation
IGBT and thermal management by newly developed
pack-age technologies”, PCIM Europe 2017.
⑺ 茨木那津子ほか. SiCデバイスを適用した高周波絶縁形鉄道 車両用補助電源の回路方式検討. 平成26年電気学会全国大会 5-124. 中沢 将剛 SiC モジュールの開発・設計に従事。現在，富士 電機株式会社電子デバイス事業本部事業統括部産 業モジュール部。 大長 規浩 SiC モジュールのパッケージ開発・設計に従事。 現在，富士電機株式会社電子デバイス事業本部開 発統括部パッケージ開発部。 辻 崇 SiC パワー MOSFET， SBD の研究開発に従事。現 在，富士電機株式会社電子デバイス事業本部開発 統括部デバイス開発部。応用物理学会会員。
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体 まえがき 4H-SiC（炭化けい素）エピタキシャル基板 〈注 1〉 を用いた SBD（Schottky Barrier Diode）や，MOSFET（Metal
-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） は，
パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ（PCS：Power Conditioning System），モータ制御用インバータなどのパワーエレクト ロニクス製品に使用することで，低損失化や省スペース化， 軽量化などのメリットが得られる。しかし SiC-MOSFET をインバータに用いる際に，MOSFET のボディダイオー ドに通電すると，オン電圧が上昇するバイポーラ劣化（順 方向通電劣化）という現象が起きる。本稿では，その現象 と対策について述べる。 なお，本内容には，総合科学技術・イノベーション会議 の SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）“次世代 パワーエレクトロニクス /SiC 次世代パワーエレクトロニ クスの統合的研究開発”〔管理法人：国立研究開発法人 新 エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）〕により実 施された成果が含まれる。 MOSFET ボディダイオードの順方向通電劣化 と対策 SiC-PiN ダイオードの順方向に通電した際に，オン電圧 が上昇するという現象が報告されている⑴，⑵。同様に pn ダイ オードにおいても図 ⒜に示すように，一定時間順方向に 通電した後にオン電圧が上昇し，劣化していることが分か る。オン電圧の上昇は，発熱による損失増加や素子並列化 が困難になるため，望ましくない。一方，図 ⒝に示すよ うに，MOSFET のソース・ドレイン間に作りこまれてい る内蔵ダイオードはボディダイオードと呼ばれているが， 近年，このボディダイオードに通電した際も同様にオン電 圧が上昇することが分かり，解決すべき重要な課題となっ ている⑶。 順方向通電劣化の原因は，通電中に積層欠陥が拡大し， 高抵抗層となることである ⑷ 。図 に，順方向通電劣化時の 積層欠陥の拡大図を示す。図 ⒜に積層欠陥の PL（フォ
SiC-MOSFET のバイポーラ劣化抑制のためのバッファ
層技術
俵 武志 TAWARA,Takeshi 呂 民雅 RYO,Mina 宮里 真樹 MIYAZATO,Masaki
Buffer Layer Technology to Suppress Bipolar Degradation in SiC-MOSFETs
SiC-MOSFET のボディダイオードに順方向通電を行うと，エピタキシャル層中に積層欠陥が拡大してオン電圧が上昇す るという問題がある。そこで，キャリア寿命の短いバッファ層を SiC エピタキシャル層 / 基板界面に挿入し，通電時に注入 される過剰キャリア密度を減少させることで，積層欠陥の拡大が抑制できることを確認した。バッファ層として，窒素高 密度ドープ層（窒素密度：1×1018 cm−3 ，10 µm）を備えた pn ダイオードを試作し，DC600 A/cm2 で 1 時間の通電におい ても積層欠陥が拡大しないことを確認した。
When a forward current fl ows through an internal body diode of a SiC-MOSFET, the problem that a forward voltage increases with expanding stacking faults in the epitaxial layer occurs. Fuji Electric confi rmed that the reduction of the excess carrier density by inserting a buff er layer with a short carrier lifetime between the epitaxial layer and the substrate could suppress the stacking faults expansion. We made a trial pn diode with a highly nitrogen doped buff er layer (nitrogen density: 1×1018
cm−3
, 10 µm) and found no stack faults expansion even after the current conduction of 600 A/cm2
DC for an hour. 〈注 1〉 エピタキシャル基板：SiC 基板に SiC のエピタキシャル層を 形成したもの p＋ p p n＋ n− ゲート ドレイン ソース ソース 通電劣化後 n＋ p＋ n＋ （a）PiN ダイオード - 特性 （b）MOSFET 断面構造 0 2 4 6 電圧（V） 20 15 10 5 0 電流（A） アノード 初 期 p＋ n− n＋ カソード 電流 電流 電流 図 1 順方向通電劣化の電気特性影響
