富士時報 Vol.80 No.6 2007 3.3 kV IGBT モジュール 柿木 秀昭（かきき ひであき） 特 集 古閑 丈晴（こが たけはる） 小林 孝敏（こばやし たかとし） まえがき 140（mm）のパッケージで，他社モジュールとの互換性 を持っている。 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール 3.3 kV IGBT モジュールは，産業用ドライブシステムや は，その低損失性，駆動回路構成の容易さ，高破壊耐量か 電鉄駆動用などの大容量装置に適用されるため，高信頼性 ら広く普及している。高耐圧・大容量分野においても，こ が要求される。また，低損失化，大電流化，高動作温度化 れまで広く適用されてきた GTO（Gate Turn-Off）サイリ などの性能向上も要望されている。 スタから IGBT モジュールへと変遷してきており，大容量 表１に，3.3 kV 1.2 kA モジュールの最大定格および特性 インバータやコンバータなどに広く応用され，3.3 kV 以上 の主な仕様を示す。 の高耐圧・大容量 IGBT モジュールの市場ニーズは大いに これまでは，3.3 kV モジュール動作温度としては最大 拡大している。 125 ℃であったが，応用装置側からインバータのパワー 富士電機は，これまで 1.2 kV 耐圧および 1.7 kV 耐圧ク アップのため 150 ℃まで拡大する要望が強い。 ラスの大容量モジュールの開発を行ってきた。今回，最新 表１の高温仕様は，接合温度 150 ℃での特性である。 （ 1） のチップおよびパッケージ設計・製造技術を 3.3 kV 耐圧 電気的特性 クラスまで発展させて，性能に優れた 3.3 kV 耐圧，1.2 kA 電流定格を持つ IGBT モジュールを開発した。 本稿では，その 3.3 kV IGBT モジュールの概要と性能に . IGBT チップおよび FWD チップの特徴 IGBT チップ （ 1） ついて紹介する。 IGBT チップは，飽和電圧（VCE（sat））−ターンオフ損失 3.3 kV IGBT モジュールの仕様 （Eoff）トレードオフに優れたトレンチ構造とフィールドス （ 2） トップ（FS）構造（富士電機「U シリーズ」IGBT）を適 図 1 に 3.3 kV 1.2 kA モジュールの外観を示す。190 × 用し，3.3 kV 用にセルピッチなどを最適化するなどして低 損失化を図った。 図 ま た， チ ッ プ が 高 い ス イ ッ チ ン グ 破 壊 耐 量〔 広 い 3.3 kV IGBT モジュールの外観 RBSOA（Reverse Bias Safe Operation Area）や十分な短 絡耐量〕を持つことは必須である。広い RBSOA を持たせ るため，チップの活性部エッジ領域での電流集中を抑制し た構造とした。また，コレクタ側のキャリヤ注入を最適化 することで，十分な短絡耐量を確保できるようにした。 FWD チップ （ 2） FWD（Free Wheeling Diode）チップは，①低損失化， ②低電流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最適化を図り，深いカソード側 n＋ 190 mm 140 mm 層濃度プロファイルとした。また，高い逆回復耐量（高 di/dt 耐量）を持たせるため，アノード側は，活性部エッ ジ領域への電流集中を抑制した構造とした。 古閑 丈晴 柿木 秀昭 小林 孝敏 パワー半導体デバイスの開発・設 パワー半導体デバイスの開発に従 IGBT モジュールの構造開発・設 計に従事。現在，富士電機デバイ 事。現在，富士電機デバイステク 計に従事。現在，富士電機デバイ ステクノロジー株式会社半導体事 ノロジー株式会社半導体事業本部 ステクノロジー株式会社半導体事 業本部産業事業部技術部。電気学 産業事業部技術部。 業本部産業事業部技術部。 会会員。 397（ 19 ） 富士時報 Vol.80 No.6 2007 表 3.3 kV IGBT モジュール 最大定格および特性（型式：1MBI1200UE-330） （a）最大定格（指定ない場合は，T j ＝T c＝25 ℃） 特 集 項 目 記 号 条 件 最大定格 単 位 コレクタ − エミッタ間電圧 V CES V GE ＝0 V 3,300 V ゲート − エミッタ間電圧 V GES ー ±20 V コレクタ電流 I C（DC） 連 続 T C ＝80 ℃ 1,200 I C（pulse） 1 ms T C ＝80 ℃ 2,400 A PC 1素子 14.7 kW 最大接合温度 T jmax ー 150 ℃ 保存温度 T stg ー −40∼＋125 ℃ V iso AC：1 min 6.0 kV V PDoff AC 50 Hz， Q ≦10 pC 4.1 kV 最大損失 絶縁耐圧 部分放電消滅電圧 （b）電気的特性（指定ない場合は，T j ＝T c＝25 ℃） 項 目 記 号 条 件 最 小 標 準 最 大 単 位 コレクタ − エミッタ間漏れ電流 I CES V V CE V GE ＝0 V， ＝3,300 ー ー 5.0 mA ゲート − エミッタ間漏れ電流 I GES V GE ＝±20 V ー ー 0.4 A V GE（th） A V CE ＝20 V， ＝1.2 IC 8.5 ゲート − エミッタ間しきい値電圧 コレクタ − エミッタ間飽和電圧 （補助端子） V CE（sat） C ies 入力容量 順電圧（補助端子） VF V GE ＝＋15 V I C ＝1,200 A 5.5 6.5 T j ＝25 ℃ ー 2.60 ー T j ＝150 ℃ ー 3.15 3.6 V GE ＝0 V，V CE ＝10 V， f ＝1 MHz ー 240 ー T j ＝25 ℃ ー 2.70 ー T j ＝150 ℃ ー 2.75 3.10 条 件 最 小 標 準 最 大 IGBT ー ー 8.5 FWD ー ー 17.0 I F ＝1,200 A V V nF V （c）熱的特性 項 目 熱抵抗 記 号 R th（j−C） 単 位 ℃/kW 要な並列接続が容易になる。 . コレクタ−エミッタ間電圧 図 2 に，3.3 kV IGBT モジュールのコレクタ−エミッタ 図 4 に，VF - IF 特性を示す。FWD の順電圧も IGBT と 同様に正の温度特性を持っており，並列接続が容易になる。 ，コレクタ−エミッタ間漏れ電流（ICES）の 間電圧（VCES） 温度依存性を示す。 . スイッチング特性および破壊耐量 3.3 kV IGBT および FWD チップのウェーハ結晶および 図 5 に，ターンオンとターンオフおよび逆回復スイッチ エッジ構造の最適化により，−40 〜＋150 ℃の温度領域 ング波形を示す。 で，3.3 kV 以上の十分な耐圧を持っている。高温になる 高耐圧モジュールは，その適用用途から高い信頼性が求 と，チップ内部のキャリヤ増大により，ICES は指数関数的 められ，高スイッチング破壊耐量を持つことが必須である。 に増大する。ICES の増大は，モジュールの熱暴走や損失増 図 6 に，IGBT の大電流ターンオフ波形を示す。接合温度 加につながるため，高温での ICES 低減は重要である。デ は 150 ℃で実施し，定格の 2.5 倍以上の高い電流遮断能力 バイス設計において，IGBT はライフタイムコントロール を持っている。 なし，FWD はライフタイムコントロールを極力抑えるこ 高耐圧 IGBT の短絡において，飽和電圧が高すぎると， とで，高温での ICES を大幅に低減した。ICES は，他社の従 短絡開始直後のコレクタ電流により破壊する場合がある。 来 3.3 kV モジュールと比べても低いレベルにあり，150 ℃， この現象は，短絡モードで裏面からのホール注入が少ない 3.3 kV の印加電圧条件下でも安定している。 とコレクタ側の電界が上昇し，アバランシェ電流が発生す また，パッケージの構成部材も−40 〜＋150 ℃の動作温 ることに起因すると推測される。図 7 に，IGBT チップで， 度で，十分な信頼性を確保できる材料を選定した。 飽和電圧と短絡耐量の関係を測定した結果を示す。短絡耐 （ 3） 量試験は，一般的には短絡時間を延ばす試験が用いられる . V CE（sat）- I c 特性および V F - I F 特性 が，短絡開始直後の破壊を考察する場合，ゲート電圧を少 図 3 に，VCE（sat）- Ic 特性を示す。富士電機の低耐圧ク しずつ上昇させて，短絡ピーク電流を増やして破壊耐量と ラスのトレンチ IGBT 同様，正の温度特性が得られている。 の相関に着目した。同図から，低飽和電圧ほど高い＋VGE 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 の条件下でも破壊せず，短絡に強いことが分かる。通常， 398（ 20 ） 3.3 kV IGBT モジュール 富士時報 Vol.80 No.6 2007 度条件は 150 ℃で実施した。推奨ゲート抵抗（1.6 Ω）条 圧やコレクタ電流に誘導され，20 V くらいまでゲート電 件では，−di/dt ＝ 4,000 A/µs であるが，ゲート抵抗 0 Ω 圧が高くなる場合がある。ゲート電圧上昇が起きても十分 での−di/dt ＝ 7,000 A/µs でも破壊しない。ピークパワー な短絡耐量を持つように考慮して，飽和電圧を最適化した。 図 8 に，IGBT モジュールでの短絡耐量のスイッチング 図 V F -I F 特性 波形を示す。接合温度条件は 150 ℃で実施し，短絡耐量が 3,000 10 µs 以上の目標仕様を満足する。 図 9 に，ダイオードの大電流（定格の 2.5 倍）かつ高 2,500 図 順電流 I F（A） di/dt 条件下での逆回復スイッチング波形を示す。接合温 コレクタ−エミッタ間電圧と漏れ電流の温度依存性 コレクタ − エミッタ間電圧（V） 4,800 T j ＝25 ℃ 2,000 T j ＝150 ℃ 1,500 1,000 代表データ 500 4,600 0 4,400 0 1 2 3 4 5 順電圧 V F（V） 4,200 4,000 図 スイッチング波形 （V CC ＝ 1,800 V，I C ＝ 1,200 A，T j ＝ 150 ℃） 3,800 3,600 −50 0 50 100 0V 150 0V V GE V GE T （℃） 接合温度 j T j ＝150 ℃ 代表データ コレクタ − エミッタ間漏れ電流（mA） IC V CE 100 10 1 0V 0A T j ＝125 ℃ （a）ターンオン波形 T j ＝100 ℃ V AK（ ） V CE T j ＝50 ℃ （b）ターンオフ波形 V CE I C ，I F V GE t 0V 0A T j ＝25 ℃ 0.01 V CE 0V 0A T j ＝75 ℃ 0.1 IC ：500 V/div ：500 A/div ：20 V/div ：1 s/div IF （c）逆回復波形 0.001 500 0 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 コレクタ − エミッタ間電圧（V） 図 大電流ターンオフ波形 （V CC ＝ 2,300 V，I C ＝ 3,000 A，T j ＝ 150 ℃） V CE（sat） - I C 特性 3,000 0V V GE 2,500 コレクタ電流 I c（A） 図 2,000 T j ＝25 ℃ 1,500 I cp ＝3,000 A T j ＝150 ℃ V CEP ＝3,080 V IC V CE 1,000 500 0 0V 0A 0 1 2 3 4 飽和電圧 V CE(sat)（V） 5 6 V CE：1ｋV/div I V GE：20 V/div t ：1 s/div C：1ｋA/div 399（ 21 ） 特 集 応用装置の＋VGE は，15 V 程度であるが，短絡時の VCE 電 富士時報 Vol.80 No.6 2007 図 3.3 kV IGBT モジュール 短絡耐量の飽和電圧依存性（チップ） 図 大電流，高 di /dt 条件での逆回復波形（V CC ＝ 2,300 V， I F ＝ 3,000 A，R G ＝ 0 Ω，T j ＝ 150 ℃） 特 集 27 IGBT チップ試験 短絡破壊直前の＋ V GE（V） −di /dt ＝7,000 A/ s 試験条件 ＝1,500Ｖ， V CC T ＝125 T W ＝10 s ℃， j ＋ を 1V ずつ上げた。 V GE 25 23 V AK（ ） V CE 21 0V 0A 19 17 15 P max ＝3.8 MW 標準のプラス側ゲート電圧 13 2.6 2.8 3.0 0W 3.2 3.4 3.6 I F ＝3,000 A 150 ℃での飽和電圧 V （V） sat V AK：1ｋV/div I F：1ｋA/div P t ：1 s/div max：2 MW/div 図 短絡波形（V CC ＝ 2,300 V，T j ＝ 150 ℃，t W ＝ 10 µs） 図 0V 3.3 kV IGBT モジュールの内部の概略構造 端子 V GE シリコーンゲル はんだ層 ワイヤボンディング チップ はんだ層 メタル層 I cp ＝7,500 A AlN 基板（絶縁基板） V CE V CE ＝2,300 V 0V 0A AlSiC ベース メタル層 はんだ層 Ic 10 s め，低耐圧モジュールに比べかなりの絶縁基板厚さが必要 V CE：1ｋV/div I t：2 s/div C：2.5ｋA/div V GE ：20 V/div となる。絶縁基板の放熱能力向上のため，3.3 kV モジュー ルでは，低耐圧モジュールで一般に採用されている Al2O3 （アルミナ）や Si3N4（窒化けい素）より熱伝導率が 2.5 〜 で見ても，推奨ゲート抵抗時の 2.5 倍に耐えている。 8 倍高い AlN（窒化アルミニウム）基板を採用した。AlN 基板上の IGBT および FWD チップは発熱の干渉が少なく パッケージ設計・アセンブリ技術 なるように配置した。それらの結果，表１に示す低熱抵抗 を実現した。 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 . AlSiC ベース採用による高信頼性 た，大電流化のためには，モジュール内のチップ間の電流 ベース材料は，低耐圧モジュールでは一般に Cu ベース アンバランス低減やパッケージ内の発熱低減が重要である。 が採用されているが，3.3 kV モジュールでは，高い信頼性 に，3.3 kV IGBT モジュール内部の概略構造を示す。 を確保するために AlSiC ベースを採用した。AlSiC は，Al 高熱伝導の AlN 絶縁基板採用 め，Cu ベースの場合に比べヒートサイクル寿命やパワー 図 と SiC の複合材料であり，熱膨張率が AlN 基板に近いた . 3.3 kV IGBT モ ジ ュ ー ル は，1.2 kV や 1.7 kV 大 容 量 モ サイクル寿命は数倍向上する。 ジュールと同様に絶縁基板を分割する構造を採用している。 絶縁基板を分割することにより，モジュールの信頼性に . 主端子構造の最適化 とって非常に重要なヒートサイクル寿命やパワーサイクル 主端子を設計するうえで，①絶縁基板間の電流アンバラ 寿命を確保できる。また，発熱の干渉を抑制でき，絶縁基 ンスの低減，②内部インダクタンスの低減，③主端子発熱 板ごとの良否判定が可能なため製品製造効率の向上も図れ 温度の抑制，④絶縁基板への接続部の応力緩和（ヒートサ る。 イクル寿命やパワーサイクル寿命向上につながる）が重要 3.3 kV モジュールは，6 kV 以上の絶縁耐圧が必要なた である。これらの課題は，トレードオフの関係にあるもの 400（ 22 ） 3.3 kV IGBT モジュール 富士時報 Vol.80 No.6 2007 図 パッケージの絶縁設計は，IEC（International Electro- 3.3 kV モジュールの部分放電測定結果 （パラメータ：シリコーンゲル種類および AlN 基板厚さ） technical Commission） 規 格，EN（European Norm） 規 部分放電発生電圧 e（kV） V i ，消滅電圧 V 7 6 ゲル種類 C V i 4 内面での十分な絶縁距離の確保および導電部と絶縁部の形 ゲル種類 A V e ゲル種類 B V i 5 パッケージ外面での十分な絶縁距離の確保，③パッケージ ゲル種類 A V i 8 状の最適化を行った。 ゲル種類 B V e 特に，絶縁に優れた構成部材の選択にあたり，絶縁樹脂 （シリコーンゲル）および AlN 基板厚さが重要である。シ ゲル種類 C V e V e ≧4.1 kV ターゲット： リコーンゲルは，材料メーカーの協力の下，改良を加えた。 図 3 同一条件下で部分放電を測定した結果を示す。AlN 基板 2 を厚くしてゲル界面の電位分担を低くすることと，シリ 1 0 0.5 に，シリコーンゲルの種類と AlN 基板厚さを変えて， コーンゲルの密着性を改善することにより，目標以上の絶 0.6 0.7 0.8 0.9 AlN 基板厚 (mm) 1 1.1 縁性能を達成できた。 あとがき もあり，1.2 kV や 1.7 kV 大容量モジュール開発での知見 電気的特性，熱的特性に優れた 3.3 kV IGBT モジュー やシミュレーション技術により，主端子形状の最適化を ルを開発した。現在，ヒートサイクル寿命やパワーサイク 行った。 ル寿命などの信頼性確認を行っており，製品化の予定であ る。この IGBT モジュールは，大容量インバータ装置の性 . 高い絶縁性能の確保 能向上に大きく貢献できるものと考える。 3.3 kV モジュールのパッケージの絶縁能力として，応用 今後も素子の高性能化・高信頼化に取り組み，ニーズに 装置サイドから，① AC 5.7 kV 1 分間の絶縁耐圧，②高 応えた製品開発を行っていく所存である。 い部分放電耐量（部分放電消滅電圧目標 4.1 kV 以上）の 要求がある。 部分放電とは，電極間に電圧を加えたとき，その間の絶 縁物中で部分的に発生する放電をいう。パッケージに使用 される絶縁材料は，絶縁抵抗が非常に高く電流をほとんど 流さないが，絶縁物中に微小な空げきや欠陥があると，そ の部分に電界が集中し，微弱な放電が発生する。これによ リ，絶縁物の侵食，発生熱による炭化物生成などで絶縁劣 参考文献 西村孝司ほか．産業用大容量 IGBT モジュール．富士時報． （ 1） vol.78, no.4, 2005, p.264-268. 宮 下 秀 仁．U シ リ ー ズ IGBT モ ジ ュ ー ル． 富 士 時 報． （ 2） vol.77, no.5, 2004, p.313-316. 古閑丈晴ほか．高耐圧 IGBT チップの負荷短絡耐量．平成 （ 3） 15 年電気学会全国大会．vol.4, 2003, p.13. 化が始まり，長時間経過後に絶縁破壊に至ることがある。 401（ 23 ） 特 集 格などに基づいて，①絶縁に優れた構成部材の採用，② 9 ＊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。