富士時報 Vol.82 No.6 2009 3.3 kV IGBT モジュール 特 集 3.3 kV IGBT Modules 古閑 丈晴 Takeharu Koga 有田 康彦 Yasuhiko Arita 小林 孝敏 Takatoshi Kobayashi 産業用インバータや車両インバータなどの市場ニーズに応えるため，3.3 kV 耐圧，1.2 kA 電流定格の大容量 IGBT モ ジュールを開発してきた。今回，パッケージに IGBT ハイパワーモジュールの技術を適用したモジュールを開発した。改 良前に比べ，内部インダクタンスを 33 % 低減し，絶縁基板間の電流均一化も良好である。このモジュールで，パワーサイ クル試験を実施し，十分な耐量を持つことを確認した。また，製品ラインアップとして，3.3 kV-1.5 kA および 3.3 kV- 0.8 kA IGBT モジュールを開発中である。 Fuji Electric has developed a 3.3 kV-1.2 kA IGBT module in response to market needs for inverters suitable for industrial and vehicle applications. The package of the newly developed module incorporates IGBT high-power module technology. Compared to previous modules, internal inductance has been reduced by 33 % and the current flow to chips on each isolation substrates shows good uniformity. Power cycle tests were implemented with this module, and sufficient durability was verified. 3.3 kV-1.5 kA and 3.3 kV-0.8 kA IGBT modules are also being developed to expand the product lineup. 1 まえがき 放熱特性の向上，かつ耐環境性能を大幅に改善した IGBT ⑵ ハイパワーモジュールを新たに開発し，製品展開している。 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール は，その低損失性，駆動回路の容易さ，高破壊耐量から広 このモジュールのパッケージは，低インダクタンスで，電 流バランスに優れている。 今回開発した 3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールには，こ く普及している。高耐圧・大容量分野においても，これま で広く適用されてきた GTO（Gate Turn-Off）サイリスタ から IGBT モジュールへ置き換えられてきており，大容量 のパッケージ技術を適用した。3.3 kV IGBT モジュールは， 産業用途のみならず，車両用途へも適用できる仕様として インバータや高圧インバータ装置などに広く応用されてい る。特に近年の地球温暖化防止のため，新エネルギー（風 図₁ 3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールの外観 力・太陽光発電）の市場が急速に伸びており，この分野 で適用されるインバータ装置の大容量化が進み，大容量 IGBT モジュールのニーズは大いに拡大している。 富士電機では，これまで大容量分野への適用を狙った IGBT ハイパワーモジュールを製品展開してきた。2007 年 には，それまでの 1.2 kV および 1.7 kV 耐圧の IGBT ハイ パワーモジュールのチップおよびパッケージ設計・製造技 190 mm 術を 3.3 kV 耐圧まで発展させて，性能に優れた 3.3 kV 耐 140 mm ⑴ 圧，1.2 kA 電流定格の大容量 IGBT モジュールを開発した。 2008 年には，1.2 kV および 1.7 kV 耐圧において，低損失化， 表₁ 3.3 kV IGBT モジュールの目標仕様（1.5 kA，0.8 kA は開発中） 項 目 記 号 1MBI1200UE-330 1MBI1500UE-330 1MBI800UG-330 単 位 コレクタ電流 IC 1,200 1,500 800 A パッケージサイズ − 190×140 190×140 130×140 mm V CE（sat） 3.15 V（標準値） （150 ℃，1,200 A のとき） 3.15 V（標準値） （150 ℃，1,500 A のとき） 3.15 V（標準値） （150 ℃，800 A のとき） V VF 2.75 V（標準値） （150 ℃，1,200 A のとき） 2.75 V（標準値） （150 ℃，1,500 A のとき） 2.75 V（標準値） （150 ℃，800 A のとき） V 8.5 8.0 13.0 K/kW 17.0 15.0 25.0 K/kW 6.0 6.0 6.0 kV コレクタ−エミッタ間 飽和電圧（補助端子） 順電圧（補助端子） 熱抵抗 絶縁耐圧 IGBT FWD R th（j-c） V iso 371（ 15 ） 富士時報 Vol.82 No.6 2009 3.3 kV IGBT モジュール いる。本稿では，最新の 3.3 kV IGBT モジュールの概要， リア注入を調整することで，十分な短絡耐量を確保できる 性能について紹介する。 ようにした。 2 3.3 kV IGBT モジュールの仕様 FWD チップは，①低損失化，②低電流時の逆回復によ る振動やサージ電圧の抑制，を考慮して，ウェーハ結晶の 図₁ に 3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールの外観を示す。 最適化を図り，深いコレクタ側 n＋層濃度プロファイルと 190 mm×140 mm のパッケージで，他社モジュールとの した。また，高い逆回復耐量（高 di/dt 耐量）を持たせる 互換性を持っている。表₁に，3.3 kV モジュールの目標仕 ため，カソード側は活性部エッジ領域への電流集中を抑制 様を示す。 した構造とした。 3 電気的特性 ₃.₂ V CE（sat）- I C 特性および V F - I F 特性 図₂に VCE（sat）-IC 特性を示す。富士電機の低耐圧クラス ₃.₁ IGBT および FWD の特長 のトレンチ IGBT 同様，正の温度特性が得られている。並 列接続時の電流アンバランスが緩和され，大電流化に必要 ⑴ IGBT チップの特長 IGBT チップは，飽和電圧 VCE（sat） ターンオフ損失 Eoff - な並列接続適用が容易になる。 トレードオフに優れたトレンチ構造とフィールドストッ 図₃ に VF-IF 特性を示す。FWD の順電圧も定格の半分 プ（FS）構造「U シリーズ IGBT」を適用し，3.3 kV 用に の電流以上で正の温度特性を持っており，並列接続が容易 セルピッチなどを最適化して低損失化を図った。また，大 になる。 容量分野においては，高信頼性のため IGBT チップが高 いスイッチング破壊耐量〔広い逆バイアス安全動作領域 ₃.₃ スイッチング特性 （RBSOA）や短絡耐量〕を持つことは必須である。広い 図₄にターンオンとターンオフおよび逆回復スイッチン RBSOA を持たせるため，チップの活性部エッジ領域での グ波形を示す。ノイズがなく，大きなサージ電圧も発生し 電流集中を抑制した構造とした。また，コレクタ側のキャ ておらず，問題ない波形である。 図₂ V CE（sat）- I C 特性 4 パッケージ構造 3,000 大容量インバータ装置に使用される大容量モジュールに は，高信頼性，高放熱能力（低熱抵抗）が求められる。ま コレクタ電流 I （A） C 2,500 T j =25 ℃ た大電流化のために，モジュール内のチップ間の電流アン 2,000 バランス低減やパッケージ内の発熱低減が重要である。 T j =150 ℃ 1,500 ₄.₁ パッケージ内部の概略構造 1,000 図₅に 3.3 kV IGBT モジュール内部の概略構造を示す。 500 0 3.3 kV モジュールでは，絶縁基板の放熱能力向上のため， 0 1 2 3 4 5 6 図₄ スイッチング波形 飽和電圧 （V） V CE（sat） （V CC ＝ 1,800 V，I C ＝ 1,200 A，T j ＝ 150 ℃） 図₃ V F - I F 特性 0V 3,000 0V V GE V CE 2,500 順電流 I F（A） 特 集 ⑵ FWD（Free Wheeling Diode）チップの特長 ターンオン波形 1,500 T j =150 ℃ 500 1 2 3 順電圧 V F（V） 372（ 16 ） 4 ターンオフ波形 V CE I C ，I F V GE t 0V 0A 0 V CE V AK（ ） V CE 1,000 0 IC 0V 0A 0V 0A T j =25 ℃ 2,000 IC V GE 5 IF 逆回復波形 ：500 V/div ：500 A/div ：20 V/div ：1 s/div 富士時報 Vol.82 No.6 2009 3.3 kV IGBT モジュール 図₅ 3.3 kV IGBT モジュールの内部の概略構造 図₇ 絶縁基板間の電流分担測定結果 シリコーンゲル はんだ層 コレクタ端子 絶縁基板 2 ワイヤボンディング チップ はんだ層 メタル層 AlN 基板（絶縁基板） メタル層 はんだ層 AlSiC ベース 特 集 エミッタ端子 端子 絶縁基板 1 上 のチップの電流 絶縁基板 2 上 のチップの電流 絶縁基板 1 絶縁基板 図₆ 改良前と改良後の主端子部 ベース （a）改良前 3.3ｋV 1.2 kA IGBT モジュール ※ 絶縁基板上にチップが配置される。 インダクタンス ≒20 nH （1 端子当たり） インダクタンス ≒30 nH （1 端子当たり） 絶縁基板 1 上の チップの電流 絶縁基板 2 上の チップの電流 （b）改良後 V CE：500 V/div I C ：100 A/div t ：5 s/div 低耐圧モジュールで一般に採用されているアルミナや窒化 けい素より熱伝導率が 2.5 〜 8 倍高い AlN 基板を採用した。 その結果，表 1 に示す低熱抵抗を実現した。 ベース材料は，低耐圧モジュールでは一般に銅（Cu） ベースが採用されている。3.3 kV IGBT モジュールでは， ⑵ 絶縁基板間の電流アンバランス低減 高い信頼性を確保するために，AlSiC ベースを採用した。 絶縁基板はモジュールの主端子配置から，エミッタ端子 AlSiC は Al と SiC の複合材料であり，熱膨張率が AlN 基 直下に位置するものとコレクタ端子直下に位置するものと 板に近いため，Cu ベースに比べ，ヒートサイクル寿命や に分かれ，それらを最短配線で並列接続しているので，絶 パワーサイクル寿命が数倍向上する。 縁基板間で電流の不均一が生じやすい構造である。エミッ タ端子およびコレクタ端子内部の電流経路を分析し，均等 ₄.₂ 主端子構造の改良 主端子の設計では，次の 3 点が重要である。 電流になるように設計した。 図₇に絶縁基板間の電流分担を測定した波形を示す。測 ⒜ 内部インダクタンスの低減 定の結果，絶縁基板間の電流分担は良好であった。 ⒝ 絶縁基板間の電流アンバランス低減 ⑶ 絶縁基板への接続部の応力緩和 ⒞ 絶縁基板への接続部の応力緩和（ヒートサイクルや パワーサイクルの寿命向上につながる） 今回，主端子を IGBT ハイパワーモジュールと共通の最 新構造に変更した。図₆に改良前と改良後の主端子部を示 絶縁基板への接続部の応力緩和のため，主端子部材は熱 処理の最適化により軟らかくしている。また，主端子は端 子ケースと一体成形し，主端子への応力発生を抑制してい る。 す。 ⑴ 内部インダクタンスの低減 5 パワーサイクル耐量の確保 主端子の足の長さを最短にするとともに，コレクタ用の 足とエミッタ用の足の通電部分を上下に配線し，磁界の相 高耐圧モジュールは，その用途から高信頼性が要求され 互作用を積極的に活用することで配線インダクタンスを低 る。市場が重要視する信頼性には，パワーサイクル耐量が 減させた。 ある。パワーサイクル試験（断続通電試験）は，IGBT モ 測定の結果，内部インダクタンスを従来端子の 30 nH か ジュールを放熱フィンに固定した状態で通電・遮断の電気 ら 20 nH へ低減した。内部インダクタンス L は，スイッ 的負荷を与え，IGBT チップの接合温度 Tj を上昇・下降 チング時の電流変化 di/dt により，端子接続部とチップ間 させることにより熱ストレスを発生させ，熱ストレスで破 に，ΔV ＝ L・di/dt の電圧が発生するので，内部インダク 壊するまで行う。パワーサイクル試験には，接合温度を比 タンス低減はチップへの過電圧低減となる。 較的短時間の周期で上昇・下降させる ΔTj パワーサイク 373（ 17 ） 富士時報 Vol.82 No.6 2009 3.3 kV IGBT モジュール 図₈ ΔT j パワーサイクル試験結果 上の ΔTc パワーサイクル耐量を持つ。 特 集 109 6 製品ラインアップ 10 8 現在，3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールと同じパッケー ジ 外 形（190 mm×140 mm） で， 搭 載 す る IGBT お よ び 10 寿命（サイクル） 7 FWD のチップサイズを大きくした 3.3 kV 1.5 kA IGBT モ 106 ジュールと，130 mm×140 mm パッケージ外形の 3.3 kV 2 s オン /18 s オフ 10 5 ΔT j 800 A IGBT モジュールも開発中である。各 3.3 kV IGBT モジュールの目標仕様は表₁に示した。 Tj 104 Tc 2s 18 s F（ t ）=1% ライン 103 102 10 50 100 200 ΔT （K） j 7 あとがき 今回，パッケージに IGBT ハイパワーモジュールを適用 した 3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールを開発した。改良前 に比べ，内部インダクタンスを 33 % 低減し，絶縁基板間 の電流均一化も良好である。このモジュールでパワーサ 図₉ ΔT c パワーサイクル試験結果 イクル試験を実施し，十分な耐量を持つことを確認した。 3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールは，2010 年製品化の予定 107 である。 寿命（サイクル） 106 参考文献 2 万サイクル以上 （破壊なし） 10 5 ⑴ 古 閑 丈 晴 ほ か. 3.3 kV IGBTモ ジ ュ ー ル. 富 士 時 報. 2007, vol.80, no.6, p.397-401. 104 Al2O3 基板と Cu ベースのモジュール F（ t） 寿命（ =20% のとき） 103 3.3 kV 1.2 kA （AIN 基板と AISiC ベース） 10 2 10 50 ⑵ 西 村 孝 司 ほ か. IGBTハ イ パ ワ ー モ ジ ュ ー ル. 富 士 時 報. 2008, vol.81, no.6, p.390-394. ⑶ Morozumi, A. et al. Reliability of Power Cycling for IGBT 100 200 ΔT （K） c Power Semiconductor Module. Conf. Rec. IEEE Ind. Appl. Cof. 36th. 2001, p.1912-1918. ル試験と，長時間の周期でケース温度 Tc を所定の温度ま 古閑 丈晴 で上下させる ΔTc パワーサイクル試験がある。 パワー半導体デバイスの開発・設計に従事。現在， 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導 ₅.₁ ΔT j パワーサイクル評価結果 体統括部モジュール開発部。電気学会会員。 富士電機では，IGBT モジュールにおけるパワーサイク ル試験後のモジュール解析から，ΔTj パワーサイクル耐量 はチップ下のはんだとアルミニウムワイヤ接合部の寿命で ⑶ 決まることを確認している。 図₈ に 3.3 kV モジュールの ΔTj パワーサイクル試験結 果を示す。3.3 kV モジュールは，1.2 kV および 1.7 kV 耐 有田 康彦 パワー半導体デバイスの開発・設計に従事。現在， 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導 体統括部モジュール開発部。 圧の IGBT ハイパワーモジュールと同様に，チップ下はん だに高剛性材料の Sn-Ag はんだを適用し，また絶縁基板 間電流を均等化したことにより，1.2 kV および 1.7 kV 耐 小林 孝敏 圧の IGBT ハイパワーモジュールと同等の ΔTj パワーサ IGBT モジュールの構造開発・設計に従事。現在， イクル試験結果を確認した。 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導 ₅.₂ ΔT c パワーサイクル試験結果 図₉ に示すように ΔTc ＝ 80 K の条件で，2 万サイクル 以上の実力を確認した。3.3 kV モジュールは，AlSiC ベー スを適用しているので，Cu ベースの場合に対して 3 倍以 374（ 18 ） 体統括部パッケージ設計・実装技術部。 ＊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。