富士時報 Vol.75 No.10 2002 U シリーズ IGBT モジュールの技術革新 岩室 憲幸（いわむろ のりゆき） 宮坂 忠志（みやさか ただし） 関 康和（せき やすかず） まえがき （Non Punch Through）構造 IGBT（NPT-IGBT）を開発 した。特にこの NPT-IGBT の開発にあたっては，ウェー IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）は，MOS ハ厚を 100 μm 近くになるまで削り素子を作成するという FET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transis- 薄ウェーハプロセス技術を新たに開発することで特性改善 tor）の高インピーダンス特性と，バイポーラトランジス に成功し，その結果，1,200 V 系は 1999 年に S シリーズを， タの低オン電圧特性とを兼ね備えたパワーデバイスとして， 600 V 系では 2001 年に T シリーズをそれぞれ製品化した。 1980 年代前半に考案された。その後 1980 年代後半の第一 今回開発した超低損失 U シリーズ IGBT チップ（U- 世代 IGBT の出現により電力変換装置用デバイスとして， IGBT チップ）は，上記 NPT-IGBT チップの開発で培わ 産業，情報，交通などの各分野でのパワーエレクトロニク れた薄ウェーハプロセス技術と，より一層の表面セル微細 ス技術の中で非常に大きな役割を占めてきた。IGBT はバ 化を可能にするトレンチゲート技術を融合させることで， イポーラトランジスタ以上の電圧・電流定格を持つこと， さらなる特性改善を図ったパワー半導体素子である。図１ さらには高速スイッチングができることで年々注目される は 600 V 系 IGBT チップの各世代でのオン電圧ーターンオ ようになり，それに伴ってさらなる低損失化が切望される フ損失トレードオフ特性比較を示したものである。トレン ようになった。その結果，表面セル構造の微細化とそれに チゲート構造と薄ウェーハ NPT 構造により，大きな性能 伴う高性能化の技術革新により第一，第二，第三世代と進 改善が達成できていることが分かる。また上記薄ウェーハ 歩を重ね，装置の小型化・高性能化に大きく寄与してきた。 NPT 技術をさらに進歩させた薄ウェーハ FS（Field Stop） 特に近年，IGBT モジュールの性能向上は目を見張るもの 技術を今回新たに開発し，1,200 V 系ならびに 1,700 V 系 がある。 IGBT チップに適用した。これにより，図２に示すように （1） 本稿では，富士電機が開発した超低損失 U シリーズ オン電圧ーターンオフ損失トレードオフ特性を飛躍的に改 IGBT モジュールの設計コンセプトならびに諸特性を報告 善することに成功した。さらにこの U-IGBT チップは， し，富士電機製 IGBT モジュールの技術革新について紹介 pnp トランジスタの注入効率を下げ，ライフタイムコント する。 ロールをせず輸送効率を上げるという設計コンセプトによ 超低損失 IGBT チップの開発 図１ 600 V IGBT トレードオフ比較 富士電機は IGBT の製品化を 1988 年から始め，市場に 率を上げ，ライフタイムコントロールにより輸送効率を 下 げ る と い う 設 計 コ ン セ プ ト を 基 に し た PT（ Punch Through）構造 IGBT において，表面セル構造の微細化に よる MOSFET 部からの電子電流の供給増により特性改善 を進め，1988，1990，1994 年に第一，第二，新第三世代 （N シリーズ）IGBT モジュールを製品化した。その後， ターンオフ損失（mJ/pulse） 供給してきた。ワイドベース pnp トランジスタの注入効 T j＝125 ℃ 10 さらなる性能向上を目指して，上記 pnp トランジスタの 注入効率を下げ，ライフタイムコントロールしないで輸送 600 V/100 A素子 V CC＝300 V I C ＝100 A V GE＝±15 V 8 Sシリーズ 6 Nシリーズ 4 Tシリーズ 2 新型 IGBT （Uシリーズ） 0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 コレクタ - エミッタ間飽和電圧 V CE（sat（V） ） 2.8 効 率 を 上 げ る と い う 設 計 コ ン セ プ ト に 基 づ い た NPT 岩室 憲幸 宮坂 忠志 関 康和 パワー半導体素子の研究開発に従 パワー半導体モジュールの開発・ パワー半導体デバイスの研究開発 事。現在，富士日立パワーセミコ 設計に従事。現在，富士日立パ に従事。現在，松本工場半導体基 ンダクタ（株）松本事業所開発設計 ワーセミコンダクタ（株）松本事業 盤技術開発部長。工学博士。電気 部マネージャー。工学博士。IEEE 所開発設計部副グループ長。 学会会員。 Senior Member，電気学会会員。 555（ 7 ） 富士時報 U シリーズ IGBT モジュールの技術革新 Vol.75 No.10 2002 り，図３に示すようにオン電圧が正の温度係数を示し，そ ている。図４は 1,200 V/450 A U-IGBT モジュールにおけ の結果，大電流定格品への適用に非常に適した素子となる。 る負荷短絡波形である。負荷短絡時の電流値を定格電流の IGBT の設計において，トレンチゲート構造のような微 細表面セル構造を適用することでオン電圧の低減が実現で 約 5 倍に制限し，125 ℃においても 10 μs 以上もの十分な 耐量が得られていることが分かる。 きることは知られているが，その反面，負荷短絡などの異 常時に大きな電流が流れてしまい，その結果として素子が 新 FWD チップの特徴 破壊しやすくなる問題が生じ，これをブレークスルーする ことが大きな課題となっていた。今回開発した U-IGBT 新 FWD（Free Wheeling Diode）素子はアノード層か チップは，トレンチゲート構造を最適化することでオン電 らの少数キャリヤの注入をコントロールすることで，ソフ 圧を犠牲にすることなく，負荷短絡などの異常時に流れる トな逆回復特性を有する。さらにライフタイムコントロー 電流値を抑えることに成功し，その結果耐量の向上も図れ ルを最適化することで，IGBT 同様，オン電圧が正の温度 係数を示すよう設計されており，大電流定格品への適用に 非常に適した素子となっている。この新 FWD の適用によ 図２ 1,200 V，1,700 V IGBT トレードオフ比較 り，図５に示すように IGBT のターンオン時の電流ピーク T j＝125 ℃ ターンオフ損失（mJ/pulse） 12 1,200 V/50 A素子 V CC＝600 V I C ＝50 A V GE＝±15 V 10 8 減させることが可能となる。 U-IGBT のインバータへの適用時の熱検討 Nシリーズ 6 汎用インバータ分野では IGBT モジュールの適用が一般 新型 IGBT （Uシリーズ） 4 Sシリーズ 的になってきているが，さらなる性能向上と信頼性向上を 達成し，コストパフォーマンスの向上を進めることが大き 2 な課題になっている。図６にチップサイズとインバータ適 0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 V CE（sat（V） コレクタ - エミッタ間飽和電圧 ） 2.8 図４ U-IGBT モジュール負荷短絡波形（1,200 V/450 A） T j＝125 ℃ 75 ターンオフ損失（mJ/pulse） 値を抑制することができ，その結果，ターンオン損失を低 1,700 V/150 A素子 V CC＝900 V I C ＝150 A V GE＝±15 V 50 NPT-IGBT I C：1,000 A/div 新型 IGBT （Uシリーズ） 25 1,200 V/ 450 A 素子 VGE：20 V/div 〔測定条件〕 T j ＝125 ℃ VCC ＝800 V ＋R G ＝1.1Ω −R G ＝20 Ω VGE ＝±15 V VCE：500 V/div 0 1 2 3 4 コレクタ - エミッタ間飽和電圧 V CE（sat（V） ） 5 時間：2 s/div 図３ U-IGBT 出力特性（1,200 V 素子） 図５ U-FWD と従来 FWD 適用時の IGBT ターンオン波形比較 VCE：250 V/div，I F：50 A/div コレクタ電流 I C〔 I C / I C 定格〕 （−） 1.5 1.0 T j＝25 ℃ T j＝125 ℃ 0.5 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 コレクタ - エミッタ間電圧 VCE（V） 556（ 8 ） 2.5 75 A/1,200 V- FWD素子使用 T j ＝125 ℃ V CC ＝600 V，I F ＝75 A 従来 FWD 新FWD VCE IF 時間：0.5 s/div 富士時報 U シリーズ IGBT モジュールの技術革新 Vol.75 No.10 2002 用時の発生損失の関係を示す。従来品のチップサイズを基 準とし 1,200 V/150 A 素子を代表例に 30 kW インバータの 定格負荷時の損失を比較すると，従来品の発生損失に対し ΔTj- c を加算する方法で議論してきている。 図９ に冷却システムを含む温度上昇を有限要素法（FE M）を用い検証した結果を示す。三次元モデル解析により， 同サイズであれば約 30 ％の損失低減が可能である。また （1） 放熱器取付け用ベース部の横方向熱広がり チップサイズの依存性が小さく，仮に同一損失とするなら （2 ） チップ間隔の最適化による相互干渉の低減 ば 20 ％程度までチップシュリンクの可能性があることを （3） モジュール配置の最適化 示唆している。これは前述のチップ技術の適用により，図 を実施することにより，チップ温度上昇を抑制できる可能 ７に示す IGBT の出力特性が大幅に改善され，電流密度を 性があることが分かった。 この解析技術の開発により，信頼性を検証するうえで重 上げてもオン電圧が増加しないためである。 しかし図８に示すようにベース部温度を基準としたチッ プ温度上昇（ΔTj- c）は熱抵抗（Rth（j- c））がチップサイズ 要な温度検討を容易にかつ精度よく実施できるようになっ たと考える。 に反比例するため単純に ΔTj- c ＝発生損失×Rth で計算す ると，チップサイズをシュリンクした場合，急激に上昇し， 信頼性上パワーサイクル耐量などの課題が生じる。 ４.２ パワーサイクル耐量の向上 富士電機では，IGBT モジュールにおけるパワーサイク ル試験素子の解析から，パワーサイクル耐量はチップ下の ４.１ 放熱器を含む温度上昇 IGBT チップの温度上昇は放熱器を含む冷却システムに 図８ IGBT ΔTj- c とチップサイズ比較 より確定されるものであるが，従来は冷却システムトータ 150 ルでの検証は容易ではなく簡易的にフィン温度を固定し， 140 ΔT j−c（deg） 図６ IGBT 発生損失とチップサイズ比較 280 条件 三相PWM （3アーム変調） V DC＝600 V f C＝10 kHz I O＝64 A rms cos ＝0.85 P f O＝50 Hz 260 IGBT発生損失（W） 240 220 200 180 条件 三相PWM （3アーム変調） V DC＝600 V f C＝10 kHz I O＝64 A rms cos ＝0.85 P f O＝50 Hz 130 120 110 100 90 80 70 60 50 Sシリーズ 40 30 Uシリーズ 20 160 10 0 Sシリーズ 0.4 0.6 0.8 1.0 IGBTチップサイズ （1,200 V/150 A SシリーズIGBT＝1.0として） 140 120 0 0.2 100 Uシリーズ 80 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 IGBTチップサイズ （1,200 V/150 A SシリーズIGBT＝1.0として） 1,200 V 150 A 2 in1 従来型 IGBT T j ＝76.0 deg TC ＝65.6 deg ΔTc-a ＝40.6 deg 図７ IGBT 出力特性比較 電流密度 （1,200 V/150 A SシリーズIGBT＝1.0として） 図９ IGBT チップ温度上昇 FEM 解析結果 2.6 2.4 2.2 V GE＝15 V T j＝125 ℃ 2.0 1.8 1.6 Uシリーズ 1,200 V 150 A 2 in1 Uシリーズ IGBT T j ＝76.9 deg TC ＝63.9 deg ΔTc-a ＝38.9 deg 1.4 1.2 Sシリーズ 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 VCE（V） コレクタ - エミッタ間電圧 4 557（ 9 ） 富士時報 U シリーズ IGBT モジュールの技術革新 Vol.75 No.10 2002 図１１ U-IGBT モジュールと従来モジュールの外形比較 ΔT j パワーサイクル耐量（cycle） 図１０ パワーサイクル耐量の向上 Sシリーズ，Uシリーズ Sn/Agはんだ 108 107 106 Nシリーズ， Pシリーズ Sn/Pbはんだ 105 104 103 5 10 50 100 500 （a）従来品（2 in1 × 3） （b）U シリーズ（6 in1） ΔT （deg） j はんだとボンディングワイヤの，おのおのの寿命の合成で ゲート構造と薄ウェーハ技術の融合により IGBT としては 求まることを確認し，寿命向上のためチップ下はんだをす 究極に近い姿となり，装置の低損失化ならびに小型化に大 （2 ） ず系の高剛性材料に変更する技術を報告した。 今回Ｕシリーズではこの技術を全面適用し，図１０に示す きく寄与している。IGBT モジュールの性能を最大限生か すためには装置における最悪条件を理解し，その条件にお ように，例えばΔ 40 deg においては従来比 10 倍以上に耐 ける放熱器を含む熱検証をしたうえ，最適な素子を選択す 量を向上させている。逆に従来と同等の耐量であれば，従 ることが現在要求される事項である。そのための要素技術 来 40 deg 以下であった温度変化を 60 deg まで上げること を開発したが，今後さらにレベルを向上させ，製品に適用 が可能である。 していく所存である。 図１１は従来品の 1,200 V/150 A 素子とＵシリーズとのモ ジュールの比較を示したものであるが，上述技術の適用に よりベース面積で 40 ％の小型化を達成している。 参考文献 （1） Laska, T. et al．The Field Stop IGBT（FS- IGBT）ー A New Power Device Concept with a Great Improve- あとがき ment Potential． Proceedings of the 12th ISPSD． 2000， p.355- 358． 超低損失 U シリーズ IGBT モジュールの開発にあたり， （2 ） Morozumi, A. et al．Reliability of Power Cycling for 富士電機のチップ技術ならびにパッケージ技術について概 IGBT Power Semiconductor Module． Conf. Rec. IEEE 略を紹介した。特に U シリーズ IGBT チップはトレンチ Ind. Appl. Conf．36th. 2001，p.1912- 1918． 558（10） ＊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。