富士時報 Vol.82 No.6 2009 IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化 高橋 孝太 Kouta Takahashi 吉渡 新一 Shinichi Yoshiwatari 関野 裕介 Yusuke Sekino 富士電機では，最新世代の「Ⅴシリーズ」IGBT を用いた製品の系列化を進めている。Ⅴシリーズ IGBT モジュール は，チップ損失の低減とパッケージ放熱性の改善により，IGBT モジュールの小型化，高パワー密度化を達成している。ま た，チップおよびパッケージの特性向上により信頼性を高め，175 ℃における動作（ただし非連続）を保証している。富士 電機では，高パワー密度かつ信頼性の高いⅤシリーズとして，大容量 2 in 1 や小型化 7 in 1 などの新規パッケージの開発， 1,700 V への系列拡大なども進めている。 Fuji Electric is developing a series of products that use the latest generation“V-Series”IGBTs. V-Series IGBT modules realize lower chip loss and improved package heat dissipation to achieve a smaller IGBT module size and higher power density. The chip and package characteristics have also been improved to enhance reliability and guarantee the maximum temperature of 175 ˚C. For these high power density and highly reliable V-Series IGBTs, Fuji Electric has developed new packages, such as a large capacity 2-in-1 package and a small sized PIM (Power Integrated Module) package. The product lineup will be expanded up to 1,700 V. ⑵ 1 まえがき （Electromagnetic Compatibility）ノイズの原因となるター ンオンスイッチング時の IGBT 電流および FWD（Free 近年，産業分野における省エネルギーおよび二酸化炭 Wheeling Diode）電圧の急激な変化を制御しやすくした。 素削減の重要なアイテムとして，インバータの需要がま これにより V シリーズ IGBT モジュールは，EMC ノイズ すます拡大している。インバータに用いるパワー半導体 の低減が容易でありインバータ設計のしやすい製品となっ としては，損失，破壊耐量，駆動回路設計などの観点から， た。 IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor） が 主 に 適 用 さ 3 IGBT モジュール「V シリーズ」の信頼性 れている。 富士電機においても，1988 年の製品化以来，着実に世 代交代を重ねつつ，低損失化・小型化を成し遂げることで IGBT モジュール V シリーズは小型かつノイズ制御性が 市場の要求に応えてきた。近年では，最新世代の IGBT を 良いだけでなく，高い信頼性を持つことも特徴である。V 用いた IGBT モジュール「V シリーズ」を系列化すること シリーズでは，瞬間的な異常状態については 175 ℃まで でさらなる低損失および小型化を果たした。また，IGBT の非連続動作を保証し，ノーマルな運転状態については モジュール V シリーズは，チップおよびパッケージの特 150 ℃までの連続動作を保証している。これは，U シリー 性向上により信頼性を高め，異常状態のチップ接合部温度 ズまでと比較してそれぞれ 25 ℃上昇している。これを可 T j ＝ 175 ℃における動作（ただし非連続）を保証している。 能とするために，IGBT チップの高温動作時の信頼性およ 本稿では，IGBT モジュール V シリーズの信頼性と系列 び破壊耐量を向上し，はんだやワイヤボンディングをはじ について解説する。 ⑴ 2 IGBT「V シリーズ」の特性 図₁に，これまで発売された IGBT モジュールに搭載さ れた IGBT チップサイズの年代ごとの推移を示す。富士電 機では 10 年で 1/2 のペースでチップの小型化を実現して おり，V シリーズでは U シリーズよりさらに 30 % のチッ プ小型化も達成した。V シリーズではチップの改良に加 え，絶縁基板に熱伝導性の良い窒化けい素（SiN）基板を 用いることで放熱性を高め，IGBT モジュールの高パワー 密度化を行っている。これにより，インバータシステム全 体の小型化およびコストダウンに大きく貢献する。また， V シリーズでは表面ゲート構造の最適化により，EMC 380（ 24 ） 図₁ IGBT チップサイズの低減 チップ面積（a.u.） （1,200 V L シリーズを 100 とした場合） 特 集 New Lineup of V-Series IGBT Modules 120 L シリーズ 1,200 V/50 A IGBT 100 N 80 S U 60 40 20 0 1985 L シリーズ N 600 V/50 A IGBT 1990 1995 V T S U 2000 （年） V 2005 2010 富士時報 Vol.82 No.6 2009 IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化 めとするパッケージの信頼性を向上した。以下で，これら 低温となる熱サイクルを繰り返すためにチップ下のはんだ の成果について詳細に説明する。 およびワイヤボンディング接合部が熱膨張収縮によるスト レスを受ける。このストレスに対して，十分な耐量を持っ 温でも安定的に耐圧を保持し，なおかつ大電流まで安定 ている必要がある。 図₄ に V シリーズのパワーサイクル 的にスイッチングできるチップ性能を必要とする。V シ 試験の結果を示す。Tj min＝25 ℃のラインは，冷却フィン リーズでは，ノンキラー IGBT，FWD のライフタイムキ 温度を固定して，運転パターンにおける最大チップ温度 ラーとして電子線を用いることで，200 ℃まで熱暴走を起 を変化させたときの寿命を表す。例えば，ΔTj＝30 ℃とは， こさず安定的に耐圧が保持できることを確認している。ま た，高温でのスイッチングについては，200 ℃における 図₄ 1,200 V「V シリーズ」パワーサイクル試験結果 IGBT スイッチングと FWD スイッチングが可能であるこ とをそれぞれ確認している。 図₂ にチップ接合部温度 Tj Tj ＝ 200 ℃，定格の 2 倍の電流を流したときの IGBT のター Tc ンオフ波形を示す。以上により，V シリーズは 175 ℃まで Ic ΔT j パワーサイクル通電パターンおよび温度推移 （T j：チップ接合部温度，T f：冷却フィン温度） T c：ケース温度， ディングをはじめとするパッケージの信頼性が必要であ る。チップ耐圧の長期的な信頼性については，電気炉で加 1010 熱しながら直流電圧を印加する加速試験による確認が一般 耐圧の劣化がなく，十分な信頼性を持っていることを確認 した。FWD と類似のエッジ構造を持つ IGBT も，同等の 信頼性を持っている。 パ ッ ケ ー ジ の 信 頼 性 に つ い て は， 一 般 的 に パ ワ ー モ ジュールではオン状態でチップが高温となり，オフ状態で ※破線は推定寿命を示す。 109 寿命（サイクル） 175 ℃において，定格電圧の 80 % を 3,000 時間印加しても t off =18 s t on=2 s チ ッ プ 耐 圧 の 長 期 的 な 信 頼 性 と， は ん だ や ワ イ ヤ ボ ン 的である。図₃に，FWD の信頼性試験結果を示す。Tj ＝ 108 T j min =25 ℃ 107 106 T j max =150 ℃ 105 104 0 20 IGBT ターンオフ波形 80 100 PIM 系列 V CC ＝800 V, I C ＝300 A（定格の 2 倍） R G ＝1.1Ω, V G ＝＋15/−15 V V CE 1,200 V 10 A 1 s EP2 U，U4 シリーズ 25 A EP2 V シリーズ EP2XT EP3 EP3 50 A EP3XT 75 A FWD ＝175 ℃ =960 V Tj Vr 1,550 S シリーズ 15 A 35 A 図₃ 1,200 V「V シリーズ」FWD の耐圧信頼性試験結果 100 A 1,540 耐圧 BV （V） r 60 図₅ 1,200 V「V シリーズ」PIM 系列および New Dual 系列 IC 150 A 1,530 New Dual 系列 1,200 V 1,520 150 A 1,510 200 A 1,500 1,490 40 ΔT j （℃） 図₂ 1,200 V「V シリーズ」IGBT の高温スイッチング波形 V GE パワーチップ Tf の異常状態での動作を保証することが可能である。 150 ℃までノーマルな運転動作を保証するためには， ΔT j ΔT c S シリーズ Standard U，U4 シリーズ New Dual V シリーズ New Dual XT 300 A サンプル数：10 台 450 A 0 1,000 2,000 時間（h） 3,000 600 A 381（ 25 ） 特 集 175 ℃までの異常状態での動作を保証するためには，高 富士時報 Vol.82 No.6 2009 IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化 図₆ 「V シリーズ」の今後の系列展開 特 集 最大定格電流 （A） 10 主端子 15 25 35 50 75 100 200 225 150 PIM（EP2XT） 400 450 300 550 600 EP2/PC2 1,200 1,400 2,400 3,600 EP3/PC3 PIM（EP3XT） ピン 900 6 in 1（PC2XT） 6 in 1（PC3XT） 従 来 端 子 2 in 1（DualXT） Dual 新型 2 in 1 ねじ 開発中 はんだ フリー 端 子 制御端子 スプリング ねじ 2 in 1（DualXT） Spring Dual （a）1,200 V 系列 最大定格電流 （A） 10 主端子 15 25 35 50 75 100 150 200 225 300 EP2/PC2 PIM（EP2XT） 400 450 600 900 1,200 EP3/PC3 PIM（EP3XT） ピン 6 in 1（PC2XT） 従 来 端 子 Dual 2 in 1（DualXT） ねじ （b）600 V 系列 冷却フィン温度 25 ℃，最大チップ温度 55 ℃の運転パター により，インバータシステムの小型化および設計の簡素 ンとなる。Tj max＝150 ℃のラインは，運転パターンにおけ 化が可能である。V シリーズでは，PIM 系列を定格電流 る最大チップ温度を固定して，冷却フィン温度を変化さ 150 A まで拡大した。 せたときの寿命を表す。例えば，ΔTj＝30 ℃のとき，冷却 200 A 以上の定格電流で使用する場合には，New Dual フィン温度 125 ℃，最大チップ温度 150 ℃の運転パターン 系列を用意している。これは 1 相分の上下アーム IGBT お となる。 よび FWD を内蔵しており（2 in 1） ，モジュール内部で 3 グラフに示されているように，同一の ΔTj でも冷却フィ チップを並列で使用している。パワー半導体を並列で使用 ン温度およびチップ温度が高いほど寿命が短くなる。すな する場合，一部のチップに電流が集中する電流アンバラン わち，Tj max＝150 ℃のラインは最悪の運転条件を表してお スが心配である。New Dual 系列は内部配線パターンの工 り，V シリーズはその条件でも ΔTj＝100 ℃で寿命 50,000 夫により，各チップ間の電流アンバランスがほとんどなく， サイクル以上と十分な信頼性を持っていることが確認でき 非常に使いやすいデバイスとなっている。V シリーズでは， た。これらの結果から，チップとパッケージの信頼性の向 New Dual 系列を定格電流 600 A まで拡大した。 上により，V シリーズは 150 ℃までノーマルな運転動作を 保証している。 5 今後の展望 以上，V シリーズは高温運転時の信頼性を大きく向上さ せ，インバータの信頼性の向上および熱設計自由度の向上 に大きく貢献する。 V シリーズでは，今後とも系列拡大を行っていく。今後 の系列展開を図₆に示す。新規パッケージとして次の開発 を進める。 4 IGBT モジュール「V シリーズ」の系列 〈注 1〉 ⑴ 大容量モジュール（EconoPACK＋，新型 2 in 1） 〈注 2〉 ⑵ 小型化モジュール（MiniSKiiP） 現在 V シリーズは， 図₅ に示す PIM（Power Integrat- 現在，風力発電などの電力変換用途，電鉄用途など大 ed Module）系列および New Dual 系列を用意している。 PIM 系列は 3 相分の上下アーム IGBT および FWD，コ ン バ ー タ ダ イ オ ー ド， ブ レ ー キ IGBT を 内 蔵 し て お り （7 in 1） ，1 台で三相交流インバータが構成できる。これ 382（ 26 ） 〈注 1〉EconoPACK：Infineon Technologies AG. の商標または登録 商標 〈注 2〉MiniSKiiP：Semikron の商標または登録商標 富士時報 Vol.82 No.6 2009 IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化 容 量 イ ン バ ー タ の 市 場 が 拡 大 し て お り， こ れ ら の 市 参考文献 EconoPACK＋では 550 A/1,200 V 定格，新型 2 in 1 では ⑴ 小野澤勇一ほか. UシリーズIGBTモジュール（1,200 V） . 富 1,400 A/1,200 V 定格までの系列化を行う予定である。ま た小容量向けとして，MiniSKiiP を開発している。これは， 士時報. 2002, vol.75, no.10, p.563-566. ⑵ 五十嵐征輝ほか. 電力変換装置から放射される電磁雑音の はんだ付けが不要で組立が容易であり，かつ PIM 系列と 解析と低減方法.産業応用部門誌. 1998, vol.118-D, no.6, p.757- 比べて同等の機能ながら大幅な小型化を実現している。 766. 8 〜 100 A/1,200 V 定格を系列化する予定である。 さらに，1,700V 耐圧のチップ開発も行っており，新型 2 in 1，New Dual など大容量用途に順次展開していく予定 高橋 孝太 である。 IGBT モジュールの開発に従事。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 6 あとがき 最新世代の IGBT チップを適用した IGBT モジュール 「V シリーズ」の特徴と系列について解説した。V シリー ズはチップ技術およびパッケージ放熱性の向上による小型 化を達成し，インバータの小型化に大きく貢献できる。ま たチップおよびパッケージの信頼性の向上により，175 ℃ モジュール開発部。 吉渡 新一 IGBT モジュールの開発・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チームリーダー。 における動作を保証している。これによりインバータの信 頼性の向上および熱設計自由度の向上に大きく貢献する。 今後，富士電機では V シリーズの技術を 1,700 V，大容 量モジュール，小型化モジュールに展開していき，お客さ まのニーズに応えていく所存である。 関野 裕介 IGBT モジュールの開発・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。 383（ 27 ） 特 集 場 に 対 応 す る た め に 大 容 量 モ ジ ュ ー ル の 開 発 を 行 う。 ＊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。