富士時報 Vol.74 No.2 2001 大容量 6 in 1 IGBT モジュール「EconoPACK-Plus」 渡 新一（よしわたり しんいち） 別田 惣彦（べつだ のぶひこ） まえがき （3） 使いやすさ：プリント基板実装型構造で大電流定格ま で 6 個組化（図３参照） 近年，産業用インバータなどの電力変換装置において， （4 ） 高信頼性化：サーミスタ内蔵により温度保護精度が向 40 kW ∼ 1 MW クラスの大電流品の要求が高まっており， これに使用される電力変換用半導体素子 （パワーデバイス） 上（図３参照） （5） 大電流化：オン電圧の温度特性が正のため並列接続が にはさらなる小型化，高性能化，高信頼性化，大電流化， 容易であり，なおかつ，並列接続を目的としたパッケー 使いやすさが求められている。これらの要求に対し，富士 ジ設計されており，図４に示す並列接続による大電流定 格化が容易 電機は大電流定格の IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）インバータブリッジ回路を一つのパッケージで構成 （6 ） 高性能化：小型化による熱集中を改善するために効果 （図１参照）を製品化する。本 できる「EconoPACK-Plus」 的なチップレイアウトを行い，さらに新世代の IGBT チッ 稿ではこの製品の系列と特徴，素子技術について紹介する。 プ/新 FWD（Free Wheeling Diode）を新規開発・適用 することで発生損失を従来品に対して約 20 ％低減を達 EconoPACK-Plus の系列と特徴 成（図５参照） 次章からはこの EconoPACK-Plus の開発における技術 富士電機はすでに 1,200 V 系にて第四世代 IGBT を適用 的概要について紹介する。 した「EconoPACK」 （PIM：Power Integrated Module） 新世代 IGBT チップの適用 （6 個組）を 10 ∼ 100 A の電流領域で製品 /「PC-PACK」 化し，装置の小型化や組立工程の簡略化などの要求に対応 してきている。今回，大電流定格素子である EconoPACK- 1,200 V 系において富士電機は，注入効率を上げ，輸送 Plus の開発をほぼ完了した。この EconoPACK-Plus は先 効率を下げることを目的とした PT（Punch Through）構 に記述したさまざまな市場ニーズを満足するために次の項 参照〕において，ライフタイムコントロー 造 IGBT〔図６ （a） 目を特徴とする素子として設計されている。 図２ EconoPACK-Plus と従来品のサイズ比較 （1） 定格：1,200 V/225 ∼ 450 A を系列化予定 （2 ） 小型化：従来品使用時の約 1/2 の使用面積（図２参照） 図１ EconoPACK-Plus の外観 （a）従来品 1,200 V/400 A 1 個組× 6 個 渡 新一 IGBT モジュールの開発・設計お IGBT モジュールの構造開発・設 よび応用技術の開発に従事。現在， 計に従事。現在，富士日立パワー 富士日立パワーセミコンダクタ （株） 松本事業所開発設計部。 110（10） 別田 惣彦 セミコンダクタ （株） 松本事業所開 発設計部。 （b）EconoPACK-Plus 1,200 V/450 A 6 個組× 1 個 富士時報 大容量 6 in 1 IGBT モジュール「EconoPACK-Plus」 Vol.74 No.2 2001 ル，微細化などで特性改善を進め，1988，1990，1994年に /Eoff 損失ともに飛躍的な性能改善が可能である。また， 第一，第二，新第三世代（N シリーズ）IGBT モジュール 新世代 IGBT は図８に示すようにオン電圧が正の温度特性 （1） を製品化した。その後，注入効率を下げ，輸送効率を上げ を持ち大電流定格品への適応に非常に適した素子である。 るコンセプトの NPT（Non-Punch Through）構造 IGBT 新 FWD チップの特徴 （b） 参照〕の特性改善を行うことによって，1999年に 〔図６ 第四世代 IGBT モジュール（S シリーズ）を製品化してい （2 ） （b） 新 FWD 素子は図９ に示す表面構造を持ち，アノード る。 今回の新世代 IGBT チップは n− 層の抵抗値低減を目的 に FZ（Floating Zone）ウェーハを最適な厚さに研磨し， 図５ インバータ動作時の発生損失比較 n 層（空乏層を止めるための拡散層）/p 層（ホール注入 C1 C3 G5 E5 G3 E3 G1 E1 G4 E4 G2 E2 T1 T2 E rr VF E on 200 E off VCE（sat） 0 第四世代 新世代 （Sシリーズ） IGBT＋FWD 1,200 V/450 A 素子 T j = 125 ℃ I U d = DC 600 V f o o = 242 Arms = 50 Hz f c = 6 kHz cosφ = 0.85 λ= 1 図６ IGBT チップの構造比較 22 50 22 50 162 22 50 150 C5 G6 E6 W V 110 122 137 U ％ 図３ EconoPACK-Plus の外形図および等価回路図 400 0 この新世代 IGBT 適用により 図 ７ に示すようにオン電圧 2 層）を形成した PT-IGBT 構造を有する半導体素子である。 約 インバータ損失（W） V CE（sat）＋ Eoff ＋ Eon＋ VF＋ Err 損失〕 〔 図６ に示すように裏面からのイオン注入を行うことで， （c） 17 22 E G E G E G （a）外形図 n＋ 〔インバータ部〕 ＋ G5 E5 C3 G3 E3 V G6 E6 − n− n＋ n− T2 p＋ n p p − 図４ EconoPACK-Plus の並列接続例 C C （b）NPT-IGBT （a）PT-IGBT （b）等価回路図 n＋ p＋ n− C G2 E2 G4 E4 n＋ p T1 〔サーミスタ部〕 G1 E1 W n＋ p＋ C1 − n＋ p p＋ （c）新世代IGBT 図７ 各世代 IGBT の VCE（sat）- Eoff トレードオフ比較 T j ＝125 ℃ 12 EconoPACK-Plus 1,200V/450A×1 1,200 V/50 Aデバイス EconoPACK-Plus 1,200V/450A×3 1,200V/1,350A ターンオフ損失（mJ/pulse） U ＋ ＋ C5 n＋ p V cc＝600 V 新第三世代 I ＝50 A c （Nシリーズ） R g ＝24 Ω V ge＝±15 V 10 8 6 第四世代（Sシリーズ） 4 Pシリーズ 新世代IGBT 2 0 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 V CE（sat）（V）at 125 ℃ 3.2 3.4 111（11） 富士時報 大容量 6 in 1 IGBT モジュール「EconoPACK-Plus」 Vol.74 No.2 2001 からの少数キャリヤ注入をコントロール（低注入化）する ターンオン損失を低減させることが可能である。 に示すようなソフトな逆回復特性を有す。さ ことで図１０ （c） EconoPACK-Plus の特徴 らに大電流定格品への適用を狙いオン抵抗の温度特性を 図１１に示すように改善したうえ，図１２のように従来 FWD 並みのオン電圧−Err トレードオフ特性を有する FWD 素 ５.１ EconoPACK-Plus の系列 子である。また，この新 FWD 適用により，アノードから 本製品では欧米市場で対応が必要な AC480 V 入力系イ の少数キャリヤ注入を抑える効果で図１３のように IGBT の ンバータまでに適用できる 1,200 V 系素子を 225 A，300 A， 450 A で系列化する。 図８ 新世代 IGBT の出力特性 100 図１１ FWD の出力特性比較 1,200 V/75 A 素子 測定条件：＋VGE =15 V 100 100 125 ℃ 50 75 125 ℃ I F（A） 75 室温 I F（A） コレクタ電流 I C（A） 75 室温 50 25 25 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 125 ℃ 室温 25 0 0 0 0 50 1 2 3 0 0 V F（V） （a）従来FWD （1,200 V/75 A） 3.0 1 2 3 V F（V） （b）新FWD （1,200 V/75 A） コレクタ - エミッタ間電圧 VCE（V） 図１２ FWD の VF - Err トレードオフ比較 図９ FWD チップの構造比較 5 p p p n− n− n＋ n＋ カソード p カソード （a）従来FWD （b）新FWD 逆回復損失 E rr（mJ/pulse） アノード アノード 1,200 V/75 A-FWD素子 T j＝125 ℃ V cc＝600 V，I F＝75 A 4 従来FWD 3 2 新FWD 1 0 1.25 図１０ EconoPACK-Plus のスイッチング波形 1.50 1.75 2.00 2.25 V F（V）at 125 ℃ V GE（20 V/div） 3 3 V GE（20 V/div） 図１３ ターンオン波形比較 V CE（200 V/div） V CE（200 V/div） 2 0.2 s/div （a）ターンオン波形 V CE（200 V/div） 2 I F（100 A/div） 1 0.1 s/div （c）逆回復波形 112（12） I C（100 A/div） 2 0.2 s/div （b）ターンオフ波形 1,200 V/225 A EconoPACK-Plus T j＝125 ℃ V CC＝600 V，I ＝225 A V GE＝±15 V，R g＝6.3 Ω V CE：250 V/div，I F：50 A/div I C（100 A/div） 1,200 V/75 A-FWD素子 T j＝125 ℃ V cc＝600 V，I F＝75 A 従来FWD 新FWD V CE IF 時間：0.5 s/div 2.50 2.75 富士時報 大容量 6 in 1 IGBT モジュール「EconoPACK-Plus」 Vol.74 No.2 2001 今後の展望 ５.２ パッケージの特徴 本製品の構造的な特徴としては，次の項目が挙げられる。 （1） 全型式 6 個組モジュール 本稿では，1,200 V 系の素子技術について述べたが，600 （2 ） インバータへの制御端子部実装をはんだフロー方式に ∼ 1,700 V 系についても同一コンセプトで新世代素子の開 よって可能にするためにはんだ付けが可能なピン端子構 発が進んでおり，これらを EconoPACK-Plus のみでなく 造を採用 EconoPACK/PC-PACK にも適用し，さらなる系列の拡 （3） 富士電機製品である EconoPACK/PC-PACK と同様， 大を行っていく計画である。 小型，薄型パッケージで装置の小型・軽量化が可能 （4 ） 全 8 か所にポジショナを付けたことによってプリント あとがき 基板の製品上面実装が容易 さまざまな新技術が適用される EconoPACK-Plus は， 既存の適用分野はもちろん，新分野への適用，装置の性能 ５.３ 内部構造 EconoPACK-Plus は EconoPACK/PC-PACK と同様， 向上，設計の容易性に寄与するものと考える。富士電機は 主端子をはんだ付けにて DBC（Direct Bonding Copper） 今後さらなる技術革新を重ね，パワーデバイスの高性能化， 基板に接合するのではなく，ワイヤで接合する構造となっ 高機能化，高信頼性化に取り組み，多様化する市場要求に （ 3） ており，これによってパッケージ構造の簡易化，小型・軽 最適化された製品を開発・供給し，パワー分野のさらなる 量化，組立工数の削減を実現している。さらに，IGBT/ 発展に貢献していく所存である。 FWD チップを適切に配列させることにより効果的な熱分 散を可能にする工夫や，上下アームの IGBT 素子を均等に 配置することでターンオン時の過渡電流バランスを改善し， ターンオン損失の増加が起こらない工夫などがなされてい る。 また，EconoPACK-Plus のパッケージは約 20 nH の低 （b） のように速い 内部インダクタンスを実現しており，図１０ ターンオフで低いスパイク電圧という相反する性能を実現 している。 参考文献 （1） 大日方重行ほか. 高精度電流センス IGBT. 平成 6 年電気 学会電子・情報・システム部門大会. A- 5- 9, 1994, p.97- 98. （2 ） Onishi, Y. et al. Analysis on Device Structure for Next Generation IGBT. Proceeding of the 10th ISPSD. 1998, p.85- 88. （3） 中島修ほか. 小・中容量産業用 NPT- IGBT モジュール. 富士時報. vol.71, no.2, 1998, p.112- 116. （4 ） Laska, T. et al. The Field Stop IGBT（FS- IGBT）- A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential. Proceeding of the 12th ISPSD. 2000, p.355 - 358. 113（13） ＊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。