FEJ 75 10 559 2002

富士時報
Vol.75 No.10 2002
T，U シリーズ IGBT モジュール（600 V）
百田 聖自（ももた せいじ）
宮下 秀仁（みやした しゅうじ）
脇本 博樹（わきもと ひろき）
まえがき
T シリーズ IGBT モジュール
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール
は，モータコントロールなどのパワーエレクトロニクス分
野では現在最も普及しているパワーデバイスである。それ
は駆動の容易性に加え，発生損失低減および破壊耐量向上
２.１ T シリーズ IGBT の特徴と課題
NPT 型 IGBT の単位セル構造を PT（Punch Through）
型 IGBT の単位セル構造と比較して図１に示す。これは以
下のような特徴を持っている。
などによる信頼性改善が進み，市場の評価を受けているた
（1） コレクタ側からの注入を抑制できるのでライフタイム
めである。特に 600 V IGBT モジュールは国内では 220 V
コントロールが不要であり，高温でもスイッチング損失
の産業用電源に，また欧州などの海外では 200 V の一般用
が増加しない。
電源を利用している地域などの広い市場で，欠かすことの
（2 ） 出力特性の温度依存性が正（高温でオン電圧が増加）
であるので，並列使用に有利である。
できない重要なデバイスとしての役割を果たしている。
このような状況の中，富士電機も 600 V IGBT モジュー
（3） 負荷短絡耐量などの破壊耐量が高い。
ルを 1988 年の開発当初から特性改善を進めつつ系列化を
（4 ） FZ（Floating Zone）ウェーハを利用できるので安価
行ってきたが，2001 年にはウェーハを薄く加工する技術
であり，また低結晶欠陥であるので信頼性も高い。
の開発により，NPT（Non Punch Through）化技術を
課題としては薄いウェーハの加工技術の確立がある。
600 V 用デバイスにまで適用できるようになった。これに
NPT 型デバイスではコレクタ - エミッタ（CE）間耐圧を
より低スイッチング損失で，特に高周波用途に適した製品
確保しつつ，オン電圧を低くすることが重要である。それ
として「T シリーズ IGBT」を開発し系列化した。
には CE 間に最大電圧が印加された際にも，空乏層端が
NPT 化技術の開発が主にチップ裏面構造の開発であっ
PT しない厚さとする必要があるが，CE 間耐圧の低いデ
たのに対し，2002 年からはチップ表面構造の改善を実施
バイスではその最適厚さは薄くなり，加工は困難となる。
した。その結果，チャネル密度を増加させ，さらに余分な
電圧降下成分を削除することにより，定常損失をも低減す
ることができるトレンチ構造の開発を行った。これにより，
図１ 単位セル構造の比較
現在このクラスでは最も低損失のデバイスとして「U シ
ンプル展開を実施しているところである。
G
E
G
n−
また，IGBT モジュールに内蔵されている FWD（Free
n−
n＋
p＋
Wheeling Diode）も，損失低減とともに，よりソフトリ
その装置自身の誤動作防止だけではなく，放射ノイズが周
C
p＋
350 m
カバリーな特性が求められている。それは発振などによる
E
100 m
リーズ IGBT」の開発に成功し，現在系列化を進めつつサ
辺機器や人体へ与える悪影響を懸念しているからである。
この要求に応えるべく，上述の新しい IGBT モジュールに
は新構造の FWD の開発も合わせて実施し採用した。本稿
ではこれらの素子技術と製品系列に関して紹介する。
C
（a）PT型 IGBT
百田 聖自
（b）NPT型 IGBT
宮下 秀仁
脇本 博樹
IGBT チップの開発に従事。現在，
IGBT モジュールの開発・設計お
パワーデバイスの研究・開発に従
富士日立パワーセミコンダクタ
よび応用技術の開発に従事。現在，
事。現在，富士電機総合研究所デ
富士日立パワーセミコンダクタ
バイス技術研究所。電気学会会員。
（株）松本事業所開発設計部チーム
リーダー。
（株）松本事業所開発設計部チーム
リーダー。電子情報通信学会会員。
559（11）
富士時報
T，U シリーズ IGBT モジュール（600 V）
Vol.75 No.10 2002
負荷短絡波形を図５に示す。負荷短絡時には素子はその
発生損失による温度上昇で破壊に至る。しかし n-ドリフ
２.２ NPT 型デバイスへの富士電機の取組み
富士電機は図２に示すように NPT 化の技術には早くか
ト層が厚い NPT 型デバイスは電圧をこの広い n-ドリフト
ら取り組んできており，より困難な低耐圧デバイスへこの
層で支えるために，温度上昇が緩和され，結果として高い
短絡耐量を得ることができる。PT 型の耐量が 15 μs であ
技術の適用を進めてきた。
600 V IGBT に適用するための最適厚さはさまざまな研
究から 100 μｍ程度とされていたが，富士電機はウェーハ
るのに対し，NPT 型は 22 μs の実力があり，通常必要と
される 10 μs に対し十分なマージンを持って保証できる。
仕様の見直しと，バックグラインド加工技術の精度向上に
Ｕシリーズ IGBT
より，厚さの設計値を他社より薄く設定することが可能と
なった。これは発生損失の要素であるオン電圧とターンオ
フ損失の低減に効果があった。
３.１ U シリーズ IGBT の表面セル構造
チップ裏面構造の改善を行った T シリーズ IGBT の性
能をさらに向上させるために，表面構造の改善を行った。
２.３ T シリーズ IGBT の特性
以下にその特性の概要を紹介する。図３は CE 間耐圧で
富士電機ではトレンチ型のパワー MOSFET（Metal Ox-
ある VCES 波形の比較であるが，PT 型デバイスと同様に
ide Semiconductor Field Effect Transistor）を生産して
NPT 型デバイスも最大定格電圧の 600 V 以上で 800 V 程
いるが，これには車両用にも搭載可能な高い信頼性を保証
度の耐圧である。
するための設計とプロセス技術が適用されている。この技
ターンオフ波形の比較を図４に示す。PT 型デバイスで
はコレクタ側からの注入が多いので，ターンオフ時にキャ
術を IGBT に応用したのが U シリーズ IGBT である。T
シリーズのプレーナ型セル構造との比較を図６に示す。
リヤの再結合を促すために，ライフタイムコントロールを
トレンチ型 IGBT ではセル密度を大幅に増加させられる
実施している。この効果は高温では低減するために，ター
のでチャネル部の電圧降下を最低限に抑えることができる。
ンオフが遅くなり，損失が増加する傾向がある。一方，
また，プレーナ型デバイス特有のチャネル間に挟まれた
NPT 型デバイスではライフタイムコントロールを実施し
JFET といわれる部分がトレンチ型デバイスでは存在しな
ていないためにその温度特性がなく，結果としてターンオ
フ波形は高温でも変わらず，ターンオフ損失増加も生じな
図４ ターンオフ波形の比較
い。
図２ 富士電機の NPT 技術適用の推移
I C ＝100 A
VCC ＝300 V
Tj ＝
室温
400
ウェーハ厚さ（ m）
PT
300
1,800 V-NPT
Tj ＝
125 ℃
1,400 V-NPT
200
1,200 V-NPT
600 V-NPT
100
デバイス：
600 V/
100 A
R g ＝24Ω
200 ns
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
年
（a）PT型デバイス
（Sシリーズ）
（b）NPT型デバイス
（Tシリーズ）
図５ 負荷短絡波形の比較
図３ PT 型デバイスと NPT 型デバイスの VCES 波形の比較
−3
条件
V CC ＝
400 V
V GE ＝
±15 V
R g＝
24Ω
Tj ＝
125 ℃
−3
2.0×10
2.0×10
I C（A）
I C（A）
VCE
1.0×10−3
0
0
200
400
600
800
V CES（V）
（a）PT型デバイス
（Sシリーズ）
560（12）
1,000
IC
1.0×10−3
0
15 s
0
200
400
600
800
V CES（V）
（b）NPT型デバイス
（Tシリーズ）
1,000
22 s
I C：250 A/div，VCE ：100 V/div，時間：5 s/div
（a）PT型デバイス
（Sシリーズ）
（b）NPT型デバイス
（Tシリーズ）
デバイス：
600 V/
100 A
富士時報
T，U シリーズ IGBT モジュール（600 V）
Vol.75 No.10 2002
いので，この部分の電圧降下を完全に削減できる。しかし，
図８に電流密度を同一にした場合の IGBT の発生損失の
低耐圧用のパワー MOSFET のセル設計をそのままでは適
計算結果の比較を示す。NPT 型構造の適用により T シ
用できないので，600 V IGBT 用に適したセルピッチおよ
リーズではターンオフ損失が大幅に低減し，トータルでは
びトレンチの深さとする必要があり，U シリーズ IGBT で
S シリーズに比べ約 10 ％の損失低減となっている。また
はシミュレーションおよび実験によりこの最適値を求め適
VCE（sat）の低減により定常損失が低下した U シリーズでは，
用した。
さらに 10 ％の損失低減がされている。
FWD の改善
３.２ U シリーズ IGBT の特性
上記内容に基づき設計された U シリーズ IGBT の諸特
性を説明する。まずコレクタ - エミッタ間飽和電圧（VCE
IGBT モジュールには IGBT とともに FWD も内蔵され
（sat））とコレクタ電流密度（JC）の出力特性の比較を 図７
ているが，FWD には発生損失低減とソフトリカバリー化
に示す。
が要求される。この改善には，ウェーハ仕様の最適化，ア
2
電流密度 185 A/cm （Tj ＝ 125 ℃のとき）での VCE（sat）
ノード側からの注入抑制，最適なライフタイムコントロー
が 2.15 V から 1.70 V まで大幅に低減した。また室温と高
ルの実施がある。富士電機ではこれらを見直した新設計の
温の出力特性の交点がより低電流域にあり，通常使われる
FWD の開発を行った。出力特性を図９に示す。
領域での温度特性が正である。この特性はモジュールを並
結果として，順方向電圧（VF）が低下しており，IGBT
列使用する場合などに素子間の動作アンバランスを低減で
と同様に正の温度特性が得られた。またキャリヤの注入を
き，製品としての長寿命化が図れる。この特性は前述した
抑制したので，逆回復時のピーク電流が減少し，発生損失
ように NPT 型ウェーハではライフタイムコントロールを
が低減しているとともに，ソフトリカバリーな特性も得ら
実施していないことと，n-ドリフト層が厚いためであり，
れた。これらにより，低発生損失で低ノイズな FWD が実
T シリーズおよび U シリーズに共通した特徴である。
現し，Ｕシリーズのモジュールに採用した。
図６ プレーナ型とトレンチ型セル構造の比較
図８ 各種デバイスの発生損失比較
エミッタ
電極
：ターンオン損失
：ターンオフ損失
：定常損失
60
n＋
ソース
ゲート
酸化膜
n＋
ソース
p−
チャネル
V-pn
R-drift R-acc
R-ch
p−
チャネル
R-acc
V-pn
n−シリコン
基盤
p＋層
50
IGBT部発生損失（W）
ゲート電極
R-ch
R-drift
R-JFET
層間絶縁膜
20
Nシリーズ Sシリーズ Tシリーズ Uシリーズ
図９ FWD の出力特性
300
100
125 ℃
125 ℃
125 ℃
125 ℃
250
Uシリーズ
80
Sシリーズ
200
J a（A/cm2）
J C（A/cm2）
30
0
（b）トレンチ型
図７ 出力特性の比較
室温
150
室温
100
新構造
従来品
室温
60
室温
40
20
50
0
0
40
10
コレクタ
電極
（a）プレーナ型
インバータ条件
デバイス：600 V
/100 A
f out＝50 Hz
I out＝50 Arms
f c＝10 kHz
力率＝0.85
0.5
1.0
2.5
1.5
2.0
V CE（sat（V）
）
3.0
3.5
4.0
0
0
0.5
1.0
1.5
2.5
2.0
V F（V）
3.0
3.5
4.0
561（13）
富士時報
T，U シリーズ IGBT モジュール（600 V）
Vol.75 No.10 2002
表２ U シリーズ IGBT の主要定格と特性
表１ U シリーズ IGBT の系列
パッケージ
電流定格
8A
10 A
小容量 PIM
EP2
EP3
発売時期
（a）絶対最大定格（記述がなければ T c＝25℃）
項 目
7MBR8UE060
7MBR10UE060
最大定格
単位
V CES
600
V
ゲート - エミッタ間電圧
V GES
±20
V
7MBR15UE060
20 A
7MBR20UE060
IC
連続
400
30 A
7MBR30UE060
I C pulse
1ms
800
20 A
7MBR20UA060
−I C
30 A
7MBR30UA060
− I C pulse
1ms
800
50 A
7MBR50UA060
最 大 損 失
Pc
1デバイス
1,135
W
50 A
7MBR50UB060
接 合 温 度
Tj
150
℃
75 A
7MBR75UB060
保 存 温 度
Tstg
−40∼＋125
℃
7MBR100UB060
絶 縁 耐 圧（パッケージ）
2,500
V
20 A
7MBR20UC060
30 A
7MBR30UC060
50 A
7MBR50UC060
75 A
7MBR75UD060
コ
100 A
7MBR100UD060
100 A
7MBI100UD-060
150 A
7MBI150UD-060
200 A
7MBI200UD-060
300 A
7MBI300UD-060
150 A
2MBI150UA-060
200 A
2MBI200UA-060
300 A
2MBI300UB-060
400 A
2MBI400UB-060
2003 年 4 月
M233
600 A
2MBI600UE-060
400 A
6MBI400U-060
レ
ク
タ
電
流
A
V iso
AC：1min
マウンティング
3.5
ターミナル
3.5
N・m
（b）電気的特性（記述がなければ T c＝25℃）
特 性
項 目
記 号
条 件
6MBI600U-060
単位
typ.
max.
I CES
V GE ＝0 V
V CE ＝600 V
ー
ー
2.0
mA
ゲート - エミッタ
間漏れ電流
I GES
V CE ＝0 V
V GE ＝±20 V
ー
ー
0.4
A
ゲート - エミッタ
間しきい値電圧
VGE（th）
V CE ＝20 V
I C ＝400 mA
ー
6.0
ー
T j ＝25℃
ー
1.8
ー
T j ＝125℃
ー
1.9
ー
T j ＝25℃
ー
1.6
ー
T j ＝125℃
ー
1.7
ー
ー
40
ー
ー
ー
1.2
ー
ー
0.6
ー
ー
1.0
VCE（sat）
コレクタ エミッタ間
飽和電圧
（Terminal）
VCE（sat）
V GE ＝
15 V
IC＝
400 A
（Chip）
入 力 容 量
V GE ＝0 V
V CE ＝10 V
f ＝1MHz
C ies
ターンオン時間
V CC ＝600 V
I C ＝400 A
V GE ＝±15 V
R g ＝0.5 Ω
tr
t off
ターンオフ時間
（Terminal）
ダイオード
順方向電圧
IF＝
400 A
nF
s
tf
VF
V
V
t on
図１０ U シリーズ IGBT の代表パッケージ
min.
コレクタ - エミッ
タ間漏れ電流
M629
600 A
400
ね じ 締 め ト ル ク
M232
M238
条 件
コレクタ - エミッタ間電圧
HEP3
7in1
（M631
または
M621）
記 号
15 A
100 A
HEP2
型 名
ー
ー
0.35
T j ＝25℃
ー
1.8
ー
T j ＝125℃
ー
1.7
ー
T j ＝25℃
ー
1.6
ー
T j ＝125℃
ー
1.5
ー
ー
ー
0.3
V
V F（Chip）
逆 回 復 時 間
t rr
I F ＝150 A
s
（c）熱抵抗特性
特 性
項 目
系列紹介
記 号
デバイスの熱抵抗
（1デバイス）
R th（j-c）
ケース - フィン間熱抵抗
R th（c-f）
条件
単位
min.
typ.
max.
IGBT
ー
ー
0.11
FWD
ー
ー
0.18
ー
0.025
ー
℃/W
表 １ に U シリーズ IGBT の系列と発売時期， 図１０に代
表パッケージの外観を示す。また， 表 ２ に U シリーズ
IGBT モジュールの主要定格と特性を示す。
シリーズと U シリーズの紹介を行った。富士電機では今
後さらに IGBT 独自の技術開発や，他の半導体デバイスの
あとがき
技術を取り入れて，その高性能化を進めるとともに，パ
ワーエレクトロニクス全体の発展に貢献していく所存であ
600 V IGBT モジュール用として，NPT 型デバイスの T
562（14）
る。
＊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。