富士時報 Vol.81 No.6 2008 自動車用トレンチ MOSFET 中村 賢平（なかむら けんぺい） 特 集 有田 康彦（ありた やすひこ） 西村 武義（にしむら たけよし） まえがき パワー MOSFET の需要は今後ますます増大し，さらなる 性能向上が求められている。 近年の原油価格高騰に伴い，自動車の低燃費化はます 富士電機では，これら自動車の機構部品の電子化や，電 ます重要になっている。また，CO2 削減などの環境意識の 子システムの高効率化などの要求に対応するため，各種の 高まりから，環境負荷低減を目的とした機構部品の電子 パワー MOSFET の開発および製品化を実施している。こ 化に伴い，自動車電装分野へのパワー MOSFET（Metal- こでは，富士電機の自動車電装用パワー MOSFET の中で Oxide-Semiconductor も，主に EPS 用途ならびに HEV 車の DC-DC コンバータ Field-Effect Transistor）の適用が 部に使用されているトレンチ MOSFET について，その系 増加している。 例えば，低燃費化を図るために，油圧制御であったパ 列，特徴および今後の開発動向について紹介する。 ワーステアリング装置がより軽量な電動パワーステアリン 富士電機のトレンチ MOSFET グ（EPS）へと急速に置き換わっている。小型車から適用 が始まった EPS は，近年では中型から大型自動車まで適 用車種が増加しつつあり，EPS 搭載車の生産台数は年 8 % 表１に富士電機の自動車電装用途のトレンチ MOSFET 程度の堅調な増加が予想されている。また，低燃費なら の定格と適用分野を示す。また，そのパッケージの外観 びに環境負荷低減目的で商品化されてきたハイブリッド車 を図 1 に示す。現在富士電機では，EPS 用 MOSFET とし （HEV）の生産台数は，近年の原油価格高騰にも後押しさ て 40 V，60 V 耐圧品を系列化し，42 V 電源（36 V バッテ リー）用として 75 V 耐圧品を系列化している。 れ，年 25% 程度の伸びが見込まれるようになった。 これらの用途に使用されるスイッチングデバイスである 表 富士電機の自動車電装用トレンチMOSFETの定格と適用分野 トレンチ 世代 FT-Ⅰ 型 式 FT-Ⅲ Id Vgs R ds（on） V gs（th） パッケージ 用 途 備 考 2SK3270-01 60 V 80 A +30 V/−20V 6.5 mΩ 3±0.5 V TO-220 EPS 2SK3271-01 60 V 100 A +30 V/−20V 6.5 mΩ 3±0.5 V TO-3P EPS 2SK3272-01L，S，SJ 60 V 80 A +30 V/−20V 6.5 mΩ 3±0.5 V D2-PACK EPS 2SK3273-01MR 60 V 70 A +30 V/−20V 6.5 mΩ 3±0.5 V TO-220F EPS 2SK3804-01S 75 V 70 A +20 V/−20V 8.5 mΩ 3±0.5 V D2-PACK EPS, アクティブ スタビライザ 2SK3730-01MR 75 V 70 A +20 V/−20V 7.9 mΩ 3±0.5 V TO-220F EPS 40（V） 70（A） +30 V/−20V 6.0 mΩ 3±1.0 V TO-247 EPS 2SK4068-32 FT-Ⅱ 電気的特性 V ds 2SK4047-01S 60（V） 70（A） +30 V/−20V 6.5 mΩ 3±0.5 V D2-PACK EPS, アクティブ スタビライザ F15□□ 40（V） 70（A） +30 V/−20V 5.2 mΩ 3±0.5 V TO-247 EPS 開発中 F15□□ 60（V） 80（A） +30 V/−20V 3.0 mΩ 3±0.5 V D2-PACK EPS 開発中 TFP DC-DCコンバータ， HID 開発中 F15□□ 100（V） 40（A） +30 V/−20V 18.0 mΩ 3±1.0 V 有田 康彦 中村 賢平 西村 武義 パワー MOSFET の開発・設計に 車 載 用 複 合 デ バ イ ス， パ ワ ー パワー半導体素子の開発・設計に 従事。現在，富士電機デバイス MOSFET の開発・設計に従事。 従事。現在，富士電機デバイステ テクノロジー株式会社半導体開発 現在，富士電機デバイステクノロ クノロジー株式会社開発統括部デ 営業本部開発統括部ディスクリー ジー株式会社半導体開発営業本部 バイス技術部。 ト・IC 開発部。 開発統括部ディスクリート・IC 開発部。 407（ 27 ） 富士時報 Vol.81 No.6 2008 自動車用トレンチ MOSFET 単位面積あたりのチャネルの数を増加させた。さらにチャ 自動車電装用トレンチ MOSFET の特徴 ネル長を最適化してチャネル抵抗成分をさらに低減する EPS 用電子制御装置は高温雰囲気下で長期間確実に動 20 % 低減した FT-Ⅲを実現した。 作することが要求されるため，高信頼性ならびに低損失性 また，MOSFET はオン抵抗とスイッチングスピードが が重要である。富士電機では従来から，トレンチ構造を採 トレードオフの関係にある。今回製品化している新型ト 用した低オン抵抗 MOSFET を EPS 用に系列化している レンチ MOSFET では，オン抵抗 Ron とスイッチング時間 が，近年ではさらなる低損失化を目的として低オン抵抗化 の指標となるゲートチャージ Q gd との積である性能指数 が要求されている。 Ron・Q gd を FT-Ⅱに比べて約 10 % 低減している。 図 3 に 富士電機ではこの低オン抵抗化の要求に対応するために， 従来トレンチ MOSFET の FT-Ⅰ，FT-Ⅱおよび FT-Ⅲ トレンチ構造の新規設計を行い，単位面積あたりのオン抵 のチップについて，FT-Ⅰの Ron・Q gd を 1 とした場合の相 抗を従来のトレンチ MOSFET「FT-Ⅱ」に比べてさらに 対比較結果を示す。 低減させた新型トレンチ MOSFET「FT-Ⅲ」を開発して 図 4 に 60 V 耐圧の FT-Ⅰ，FT-Ⅱおよび FT-Ⅲのチッ プについて，同一パッケージ品でモータを駆動した場合の いる。以下にその特徴について紹介する。 トレンチ構造の設計ルール微細化による低オン抵抗化 （ 1） 図 2 に FT-Ⅱのチップ構造と FT-Ⅲのチップ構造の断 面比較を示す。トレンチチップ構造は，ゲート部分に精度 損失シミュレーション例を示す。FT-Ⅲのチップは，FTⅡのチップに比べてトータル損失で約 25 % 低減している。 ゲートしきい値電圧に対する設計 （ 2） のよいエッチングで凹部構造を形成して，チャネル抵抗成 EPS に使用される MOSFET では低オン抵抗特性が重視 分と JFET（Junction FET）効果の抵抗成分を大幅に低 されているため，オン抵抗特性とトレードオフの関係にあ 減することが可能となる。富士電機では，トレンチ部に高 るゲートしきい値電圧 Vgs（th）が 1 〜 2 V 程度の MOSFET 品質なゲート酸化膜を形成することで，高いゲート保証電 が一般的である。しかし，ゲートしきい値電圧が小さいと 圧 VGS（＋30/−20 V）とゲート信頼性を持った低オン抵 電磁ノイズなどによる誤動作が起きやすいという問題があ 抗トレンチ MOSFET を製品化している。 る。 今回，トレンチ構造の設計ルールを従来より微細化して 富士電機の EPS 用トレンチ MOSFET は，ゲート信頼 性を考慮してゲート酸化膜厚およびチャネル濃度を調整す 図 ることで，代表的なゲートしきい値電圧を 3 V と最適化し， パッケージ系列の外観 ノイズ誤動作防止を考慮して設計している。 図 R on・Q gd の相対比較 1.2 1.0 D2-Pack TO-220AB 相対値 0.8 TO-220 TO-3P フルモールド TO-247 0.6 0.4 0.2 図 0 FT-Ⅱと FT-Ⅲの断面比較 設計ルール微細化 （単位面積あたりのオン抵抗 R on・ 減少） A 設計ルール ソース ゲート 図 n＋ p p＋ n＋ p ゲート酸化膜 トレンチ n＋ n＋ n＋ p＋ n＋ p （ ） R CH チャネル長短縮 R CH 減少） （チャネル抵抗 FT-Ⅲ n− n− n＋ n＋ ドレイン ドレイン （b）FT-Ⅲ ＝40 V， I d ＝60 A， V f =36 kHz，duty＝50％ ds P off：オフ損失 P sw：スイッチング損失 P on：オン損失 n＋ 4 p ゲート酸化膜 トレンチ （a）FT-Ⅱ 408（ 28 ） FT-Ⅱ ソース ゲート 5 n＋ FT-Ⅰ 損失シミュレーション 損失（W） 特 集 ことにより，FT-Ⅱに比べて単位面積あたりのオン抵抗を 3 2 1 0 FT-Ⅰ FT-Ⅱ FT-Ⅲ 自動車用トレンチ MOSFET 富士時報 Vol.81 No.6 2008 図 EPS システムの等価回路 モータの負荷短絡モード，②モータと電子制御ユニット （ECU）を接続する配線の地絡モード，③ H ブリッジまた 三相モータ制御 は三相ブリッジを構成する上下間デバイスのアーム短絡 電子制御ユニット（ECU） ＋V cc ①負荷短絡 モード ドライブ 回路 ドライブ 回路へ 各ゲート へ モードなど，瞬時的な大電流責務にも耐えうる信頼性が必 特 要である。 集 図 6 に，富士電機の MOSFET 製品の内部構造を示す。 EPS の最大トルク時（モータ電流 30 〜 65 A 程度）には， 三相 モータ 大電流によるチップの発熱に加えて，外部端子に接続する リードワイヤ部でも大きな発熱がある。富士電機ではこれ らの課題に対し，①内部接続ワイヤの大口径化および②内 マイコン ③アーム 短絡モード ②地絡 モード − ＋ 部接続ワイヤの複数本化という対策を行っている。 以上の特徴を持った富士電機トレンチ MOSFET は， EPS 以外にも幅広い自動車電装用途への採用が進んでい る。 図 あとがき パワー MOSFET の内部構造 エポキシ樹脂 富士電機では今まで，今回紹介したような各種自動車電 装用トレンチ MOSFET を開発し，製品化してきた。現在， 半導体チップ ベース フレーム リードワイヤ さらなる低オン抵抗化および小型化の要求に応えるため， トレンチ構造および結晶の最適化による次世代トレンチ技 術の開発に注力している。今後も自動車電装分野における 機構部品電子化および電装部品低損失化へのさらなるニー ズに応えるため，絶え間ない製品開発と提案を行い，自動 車電装分野のますますの発展に貢献していく所存である。 発熱部 参考文献 Onozawa, Y. et al. Development of the next generation （ 1） 1,200 V trench- gate FS- IGBT featuring lower EMI noise and lower switching loss. Proc. of ISPSD’ 07. 堀内康司ほか．自動車用パワー MOSFET．富士時報． （ 2） vol.76, no.10, 2003, p.601-605. 有田康彦，西村武義．自動車電装用パワー MOSFET．富 （ 3） 大電流耐量かつ高信頼性 （ 3） 士時報．vol.79, no.5, 2006, p.378-381. EPS 用 の シ ス テ ム に お い て は， 図 5 に 示 す よ う な ① 409（ 29 ） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。