富士時報 Vol.81 No.6 2008 IGBT ハイパワーモジュール 特 集 西村 孝司（にしむら たかし） 高宮 喜和（たかみや よしかず） 中島 修（なかじま おさむ） （ 1） まえがき イパワーモジュールを開発し，製品展開を行ってきた。 今回，拡大を続ける新エネルギー分野への適用をねらい， （ 2） 近年，地球温暖化を抑制するため，化石燃料を使用し U シリーズのチップを改良した U4 チップを搭載し，熱的 ないクリーンエネルギー化が加速している。温室効果ガス 特性の向上，かつ耐環境性能を大幅に改善した 1,200 V お （CO2）の発生を抑え，かつ電力の供給が可能な新エネル よび 1,700 V 耐圧の IGBT ハイパワーモジュールを新たに ギー分野（風力・太陽光発電）の市場が急速に伸びており， 開発した。本稿では，その概要と技術開発について紹介す この分野で適用されるインバータ装置の大容量化が進んで る。 いる。 産業用の大容量インバータに使用するパワーデバイスは， 製品系列 高 耐 圧・大電流化が容 易な GTO（Gate Turn-off）サ イ リスタが主流であった。しかし，IGBT（Insulated Gate 開発した IGBT ハイパワーモジュールの製品系列を表１ Bipolar Transistor）モジュールの高耐圧・大容量化技術 に示す。1 in 1 で，1,200 〜 3,600 A，2 in 1 で，600 〜 1,200 のめざましい進歩により，高耐圧・大容量分野においても， A の電流容量を持ち，モジュール耐圧は 1,200 V と 1,700 V 組立・取扱いおよび保守点検が容易な絶縁型構造を持つ である（合計 14 機種） 。図 1 に，そのパッケージ外観を示 IGBT モジュールへの置換えが飛躍的に拡大している。富 す。 士電機では産業用大容量分野への適用をねらった IGBT ハ 表 製品系列 パッケージ 型式 パッケージサイズ （mm） CTI * 絶縁基板 ベース 定格電圧 （V） 1,200 M151 130×140×38 1,700 600以上 1 in 1 窒化ケイ素 （Si3N4） 銅 （Cu） 1,200 M152 190×140×38 1,700 1,200 2 in 1 M256 130×140×38 600以上 窒化ケイ素 （Si3N4） 定格電流 （A） 製品型式 1,200 1MBI1200U4C-120 1,600 1MBI1600U4C-120 1,200 1MBI1200U4C-170 1,600 1MBI1600U4C-170 2,400 1MBI2400U4D-120 3,600 1MBI3600U4D-120 2,400 1MBI2400U4D-170 3,600 1MBI3600U4D-170 600 2MBI600U4G-120 800 2MBI800U4G-120 1,200 銅 （Cu） 1,700 2MBI1200U4G-120 600 2MBI600U4G-170 800 2MBI800U4G-170 1,200 2MBI1200U4G-170 * CTI：Comparative Tracking Index（比較トラッキング指数） 西村 孝司 390（ 10 ） 高宮 喜和 中島 修 パワーモジュールの品質保証に従 パワー半導体デバイスの開発に従 ハイブリッド IC，MIC，IGBT モ 事。現在，富士電機デバイステク ジュールのパッケージ開発に従事。 事。現在，富士電機デバイステク ノロジー株式会社半導体開発営業 現在，富士電機デバイステクノロ ノロジー株式会社半導体事業統括 本部開発統括部モジュール開発部 ジー株式会社半導体開発営業本部 部生産統括部品質保証部。 チームリーダー。 開発統括部パッケージ実装技術部。 IGBT ハイパワーモジュール 富士時報 Vol.81 No.6 2008 および特性を表 2 に示す。 電気的特性 2MBI800U4G-170（2 in 1 800 A/1,700 V）を代表型式と IGBT チップの飽和電圧は，pnp トランジスタの注入効 し，モジュールの電気的特性について紹介する。最大定格 率を下げ，ライフタイムコントロールを適用せず輸送効率 を上げ，正の温度係数を持ち，高性能化を達成している。 図 IGBT ハイパワーモジュールのパッケージ外観 また，FWD チップの順電圧は，キャリヤのライフタイム コントロールを最適化することで，IGBT チップと同様に 正の温度係数を持つ。 Ｍ１５２パッケージ 正の温度係数を持つチップは，接合温度が高くなると， 並列接続されたチップ間において接合温度を均等化するよ うに働き，電流バランスを自己調整するため，チップの並 列接続数の多い IGBT ハイパワーモジュールに適している。 図 2 および図 3 に，モジュールでの飽和電圧−コレクタ電 流特性と順電圧−順電流特性を示す。 . Ｍ256パッケージ Ｍ１５1パッケージ スイッチング特性 U4 シリーズの IGBT チップでは，入力容量 Cies と帰還 容量 Cres のバランスを最適化したので，ターンオン損失 表 最大定格および特性（型式：2MBI800U4G-170） （a）最大定格（指定なき場合は，T j ＝T c＝25 ℃） 項 目 記 号 条 件 定 格 単 位 コレクタ − エミッタ電圧 V CES V GE ＝0 V 1,700 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 ℃ 800 A I C（Pulse） 1 ms T C ＝80 ℃ 1,600 A 1素子 4,800 W ℃ 最大損失 PC 最大接合温度 T j max. ー 150 保存温度 T stg ー −40∼＋125 ℃ AC：1分 3,400 V 絶縁耐圧 V iso （b）電気的特性（指定なき場合は，T j ＝T c＝25 ℃） 項 目 コレクタ − エミッタ間漏れ電流 ゲート − エミッタ間漏れ電流 記 号 ℃， Tj V GE ＝0 V， ＝125 VCE ＝1,700 V I GES V GE ＝±20 V ゲート − エミッタ間しきい値電圧 V GE（th） 飽和電圧（chip） V CE（sat） C ies 入力容量 ターンオン時間 ターンオフ時間 条 件 I CES 標 準 最 大 単 位 ー ー 1.0 mA ー ー 2.4 A 5.5 6.5 7.5 V T j ＝25 ℃ ー 2.25 2.40 T j ＝125 ℃ ー 2.65 ー ー 75 ー ー 3.10 ー ー 1.25 ー ー 1.45 ー ー 0.25 ー T j ＝25 ℃ ー 1.80 2.15 T j ＝125 ℃ ー 2.00 ー ー 0.45 ー A V CE ＝20 V， ＝0.8 IC V GE ＝＋15 V I C ＝800 A 最 小 V GE ＝0 V，V CE ＝10 V， f ＝1 MHz t on tr t off V CC ＝900 V，I C ＝800 A V GE ＝±15 V T j ＝125 ℃ tf 順電圧（chip） Vf 逆回復時間 t rr V GE ＝0 V I f ＝800 A V CC ＝900 V，I F ＝800 A， T j ＝125 ℃ V nF s V s （c）熱的特性 項 目 熱抵抗（1素子） 記 号 R th（j−c） 条 件 最 小 標 準 最 大 IGBT ー ー 0.026 ー ー 0.045 FWD 単 位 K/W 391（ 11 ） 特 集 V −I 特性 . 富士時報 Vol.81 No.6 2008 IGBT ハイパワーモジュール の大幅な低減，低電流時のターンオン di/dt の低減，ゲー 顧客ニーズである装置の小型化には，高密度化を伴う。モ ジュールの発熱を放出する冷却体を小さくすると放熱効率 が低下し，半導体チップの接合温度上昇を招く。モジュー 900 V，Rg（on）＝4. 7 Ω，Rg（off）＝1.2 Ω，Tj＝125 ℃における ルの信頼性に懸念を与える要因となるため，接合温度を低 定格電流（800 A）でのモジュールのターンオン，ターン く抑える必要があり，それには次に示す三つの方法がある。 オフ，逆回復波形を示す。その時のスイッチング損失は， モジュールの発生損失低減 （a） ターンオン時で 257 mJ，ターンオフ時で 254 mJ，逆回復 （b） モジュールの熱抵抗（接合部とケース間）低減 時で 228 mJ である。 図 5 にスイッチング損失の電流依存 冷却体の放熱効率向上 （c） 性を，図 6 にスイッチング損失のゲート抵抗依存性を示す。 モジュールで実施可能な項目は，一つは発生損失の低減 であり，もう一つは熱抵抗の低減である。発生損失の低減 パッケージ技術 は，チップ特性に大きく依存し，次世代チップ技術が待望 される。一方で，熱抵抗の低減は，モジュール構造の最適 . 熱抵抗低減 化によりチップ特性とは独立して達成できる。 産 業 用 の 大 容 量 イ ン バ ー タ 装 置 の 多 く は， 多 数 の モ 図 7 に，DCB（Direct Copper Bonding）基板にアルミ ジュールを直並列接続することで大容量化を達成している。 図 図 スイッチング損失−電流依存性 飽和電圧−コレクタ電流特性 コレクタ電流 I c（A） 1,400 スイッチング損失（mJ） ＝900 V， g＝4.7/−1.2Ω， L m ＝75 nH， V CC R V GE =±15 V， T j =125 ℃ 600 V GE ＝＋15 V 1,200 1,000 T j ＝25 ℃ 800 600 400 T j ＝125 ℃ 200 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 500 E on 400 E off 300 E rr 200 100 0 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 電流 Ic ， I f（A） 4.0 飽和電圧：V （V） CE（sat ） 図 図 スイッチング損失（mJ） 1,400 1,200 1,000 T j ＝25 ℃ 800 600 400 T j ＝125 ℃ 200 0 図 スイッチング損失−ゲート抵抗依存性 順電圧−順電流特性 順電流 I f（A） 特 集 ト抵抗によるターンオン di/dt の制御性の向上や，逆回 復時のサージ電圧抑制などの特徴を持つ。 図 4 に，Vcc＝ 0 0.5 1.0 15 2.0 V f（V） 順電圧 2.5 3.0 ＝900 V， A， GE =±15 V， j =125 ℃ L m ＝75 nH， V CC I ＝800 V T C 700 E on 600 500 400 E off 300 200 E rr 100 0 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 ゲート抵抗 R g（Ω） スイッチング波形（L 負荷時） 0V 0V V GE ：20 V/div V GE ：20 V/div V AK ：500 V/div I C：200 A/div V CE ：500 V/div 0 V，0 A V CE ：500 V/div I C：500 A/div t ：1.0 s/div 0 V，0 A （a）ターンオン 392（ 12 ） t ：0.5 s/div I F：500 A/div t ：0.5 s/div 0 V，0 A （b）ターンオフ （c）逆回復 IGBT ハイパワーモジュール 富士時報 Vol.81 No.6 2008 熱シミュレーションによる構成部材別熱抵抗比率 熱シミュレーションによるモジュール熱抵抗比較 52.2 50 100％ 100 熱抵抗比率（％） 40 30 10 11.0 3.6 3.1 Cu パターン裏 基板下はんだ Cu ベース 0 6.3 9.4 IGBT チップ 14.4 チップ下はんだ 20 66.6 ％ 60 40 20 0 窒化ケイ素 アルミナ アルミナ （21 Ｗ/ （m2K） ）（24 Ｗ/ （m2K） ）（90 Ｗ/ （m2K） ） 絶縁基板 各種DCB基板の比較 厚 さ 熱伝達率 表 アルミナ Al2O3 アルミナ Al2O3 窒化ケイ素 Si3N4 窒化アルミ AlN 0.32 mm 0.32 mm 0.32 mm 0.65 mm ○（90 ） Ｗ/ （m2K） ◎（170 ） Ｗ/ （m2K） ×（21 △（24 ） Ｗ/ ） Ｗ/ （m2K） （m2K） 93.1％ 80 構成部材 表 IGBT チップ チップ下はんだ Cu パターン表 絶縁基板 Cu パターン裏 基板下はんだ Cu ベース 120 Cu パターン表 熱抵抗比率（％） 図 曲げ強度 ○ △ ◎ × 絶縁破壊電圧 ◎ ◎ ◎ ◎ コスト ◎ △ △ × 組立性 ○ ○ △ △ 熱抵抗効果 × △ ○ ◎ 比較トラッキング指数 PLC * 高い 低い CTI : Comparative Tracking Index (比較トラッキング指数) 0 600≦CTI 1 400≦CTI <600 2 250≦CTI<400 3 175≦CTI<250 4 100≦CTI<175 5 CTI <100 * PLC：Performance Level Category ◎：非常に良い，○：良い, △：やや悪い, ×：悪い にくいモールドケースを実現するためには，次の二つの方 法がある。 ナ（Al2O3）を使った現状の IGBT ハイパワーモジュール の熱シミュレーション結果を示す。DCB 基板の熱抵抗が モジュール全体の約 52% を占めており，DCB 基板の熱抵 モールドケース表面の沿面（炭化導通路）を長くす （a） る。 （b） 炭化導通路を形成しにくいモールド樹脂を適用する。 抗を低減することが最も有用な手段であると判断した。表 モールドケース表面の沿面を長くするためには，ケー 3 に DCB 基板の比較結果を， 図 8 に熱シミュレーション ス表面に凹凸を施す必要があり，外形寸法が大きくなるこ によるモジュール熱抵抗比較結果を示す。DCB 基板の選 とから競合他社とのパッケージの互換性が損なわれるため， 定にあたり，熱抵抗低減効果，組立性，コストなどから総 富士電機は，1 ランク上の比較トラッキング指数（600 ≦ 合的に検討した結果，大幅な熱抵抗低減効果が期待できる CTI：Comparative Tracking Index）を持つモールド樹脂 窒化ケイ素（Si3N4）の採用を決定した。熱抵抗の測定を を選定し，適用することで対応した。表 4 に耐トラッキン 実施して，アルミナ基板に比べ IGBT 部で 33%，FWD 部 グ指数を示す。なお，600 ≦ CTI は，耐トラッキング指 で 31% の熱抵抗低減を確認した。 数の最も高い区分に位置づけられる。 . モールドケースの耐環境性能改善 パワーサイクル耐量の確保 モールドケースの表面が高電界下に置かれている状態 において，モールドケースの表面が粉塵（ふんじん）や水 本 IGBT ハイパワーモジュールは，現状の大容量 IGBT 分の付着により炭化して炭化導通路（トラック）を形成し， ハイパワーモジュールと同様の大容量化パッケージ技術 絶縁が低下して絶縁破壊に至ることがある。状況によって を継承し，チップ下はんだに高剛性材料の Sn-Ag はんだ は発火を引き起こす恐れもある。風力・太陽光発電装置は， を適用し，DCB 基板を分割化して DCB 基板間の熱緩衝 塵埃（じんあい）や塩分を多く含み湿度も高い環境に設置 を抑制，DCB 基板間の電流を均等化する主端子構造を持 されることが多い。IGBT ハイパワーモジュールをこのよ つ。これらに加え，DCB 基板に窒化ケイ素を採用したこ うな環境下で適用する場合は，炭化導通路を形成しにくい とにより，DCB 基板下のはんだ厚さの最適化および製造 モールドケースの開発が必須である。炭化導通路を形成し 方法の改善を行って，チップの並列接続数が少ない従来 393（ 13 ） 特 集 60 DCB 基板 （アルミナ） 図 富士時報 Vol.81 No.6 2008 IGBT ハイパワーモジュール モジュールと同等のΔ Tj パワーサイクル耐量を確認した。 いる新エネルギー分野にきめ細かく対応できる製品群であ さらに，IGBT ハイパワーモジュール特有のアプリケー る。 特 集 ションであるケース温度が大きく変化するΔ Tc パワーサ 今後は，さらなるニーズに応えるために半導体技術およ イクルにおいても，Δ Tc＝70 ℃の条件で 10,000 サイクル びパッケージ技術のレベルを高め，パワーエレクトロニク を確認している。 スの発展に貢献する新製品の開発を行っていく所存である。 あとがき 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） 本稿では，U4 シリーズチップを搭載し，熱的特性を向 上し，耐環境性能を大幅に改善した IGBT ハイパワーモ ジュール製品について紹介した。本モジュールは，ニーズ が多様化している大容量分野に加え，急速に市場が伸びて 394（ 14 ） vol.78, no.4, 2005, p.264-268. 原口浩一ほか．U4 シリーズ IGBT モジュール．富士時報． （ 2） vol.78, no.4, 2005, p.256-259. ＊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。