富士時報 Vol.80 No.6 2007 ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」 特 集 西尾 実（にしお みのる） 山 智幸（やまざき ともゆき） 船越 孝章（ふなこし たかあき） まえがき ステムには小型化・高効率化が求められるため，主スイッ チ ン グ デ バ イ ス と し て，IGBT（Insulated Gate Bipolar 自動車業界では，地球温暖化防止に対する規制対策をさ Transistor） が 一 般 的 に 用 い ら れ る。IGBT は，ECU まざまな形で実現しようとしており，その方策の一つとし （Electronic Control Unit）からの信号を受けてスイッチン て，ハイブリッド車による燃費改善（CO2 排出量の削減） グ動作するが，15 V 系（バッファトランジスタを介した を進めている。現在主流となっているハイブリッド車の制 駆動の場合は 16.5 V 系）で動作するゲートドライバや保 御方法は，ガソリンエンジンと電気モータの 2 種類の動力 護機能を ECU に持たせると ECU の肥大化につながるた 源を組み合わせ，走行状態に応じて負荷分担を最適化する め好ましくない。また，ゲートドライバ保護回路などを個 ことにより高効率化するものである。このシステムによる 別部品で構成するとノイズによる誤動作やコストアップな 燃費改善効果は，地球温暖化防止に対する全世界的な関心 どの問題があるため，IGBT の近くに専用 IC を搭載する の高まりとともに注目度が増し，さらに近年のガソリン価 ことが望ましい。 格の高騰が後押しするように，ハイブリッド車に対する世 本稿では，ガソリンハイブリッド車の電力変換システム 界的な需要が急増している。 に用いられる IGBT 駆動用に開発した IC「Fi007」につい ガソリンハイブリッドシステムでは，エンジンが発生す て紹介する。 ， （ 1） （ 2） る動力を電気エネルギーに変換し，バッテリーへの充放 特 徴 電とモータ駆動をするための電力変換システムとして，イ ンバータ，コンバータを用いている。これらの電力変換シ . 図 基本性能 Fi007 の回路ブロック図 Fi007 の回路ブロック図を図 1 に，チップ写真を図 2 に V CC る（ 図 3） 。 図 1 に示す主な機能は以下の五つである。 （ 2） 示す。図 2 のチップは SSOP20 パッケージに搭載されてい 出力段回路 ソフト遮断回路 IN 〜 の詳細は （ 5） OUT PGND ゲート電圧 監視回路 AE 過電流検出回路 （2 チャネル） アラーム 信号 入出力回路 フェイル ラッチ 回路 電源電圧低下 検出回路 章で述べる。 IGBT プリドライブ（図 1 の出力段回路部） （ 1） ロジック回路 過熱保護 （ 2） GV 図 OS1 Fi007 のチップ写真 OS2 V CC OH1 過熱検出回路 （2 チャネル） OH2 内部基準電圧回路 REF V OH GND 西尾 実 山 智幸 半導体デバイスの開発に従事。現 半導体デバイスの開発に従事。現 ディスクリート半導体の組立技術 在，富士電機デバイステクノロ 在，富士電機デバイステクノロ 開発に従事。現在，富士電機デバ ジー株式会社半導体事業本部自動 ジー株式会社半導体事業本部産業 イステクノロジー株式会社電子デ 車電装事業部電装技術部。 事業部技術部チームリーダー。工 バイス研究所アセンブリ開発部。 学博士。電気学会会員。 406（ 28 ） 船越 孝章 ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 機能であり，ノイズによる誤動作を防ぐため，しきい値に 電源電圧低下保護 （ 4） ヒステリシスを付けかつ不感帯を設けている。 ソフト遮断 （ 5） 〜 の各保護機能は，IGBT のスイッチング時に発生 （ 2） （ 4） は，IGBT のゲート容量を充放電するためのドライブ （ 1） するノイズによる誤動作を防ぐためにそれぞれ不感帯を 設けている。また，過電流・過熱の両保護機能は二つの 図 IGBT を同時に監視できる仕様であり，どちらか一方が異 Fi007 の外観 常状態になるとドライバ出力をオフし，IGBT の動作を停 止させる。 異常時に保護機能が動作した場合は，アラーム信号を 表 Fi007電気的特性（特記なき項目はV CC＝16.5±2 V， T a＝25 ℃） 用 語 記 号 内 容 値 単位 電源特性 電源電流 表 消費電力 Fi007絶対最大定格（特記なき項目はTa ＝25 ℃） パラメータ 電源電圧 （駆動系/制御系） I CCL ターンオン時電源電流 2 mA I CCH ターンオフ時電源電流 2 mA Pt 20 kHzスイッチング時消費 電力 50 mW 制御信号入力 記 号 条 件 最小値 最大値 単位 V CC DC −0.3 20 V 入力ローレベル しきい値電圧 V INHL ターンオン入力しきい値電圧 1.5 V f ー ー 20 kHz 入力ハイレベル しきい値電圧 V INLH ターンオフ入力しきい値電圧 2.1 V V INHL − V INLH 0.6 V 入力周波数 AE端子電流 I AEmax DC ー 20 mA IN端子電圧 V INmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V OUT端子電圧 V OUTmax DC PGND−0.3 V CC＋0.3 V AE端子電圧 V AEmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V DC −0.2 0.2 V PGND-GND間電圧 Vd GNDmax 入力電圧 ヒステリシス ターンオン遅延 時間 t dLH ターンオン入力からドライバ 出力オンまでの遅れ時間 1 s ターンオフ遅延 時間 t dHL ターンオフ入力からドライバ 出力オフまでの遅れ時間 0.6 s 遅延時間差 Δt d t dLH − t dHL 0.4 s VAEIN 外部アラーム入力しきい値電 圧 2 V VAEHYS 外部アラーム入力しきい値ヒ ステリシス電圧 0.8 V 外部アラーム入力からソフト 遮断までの遅れ時間 9.5 GV端子電圧 V GVmax DC PGND−0.3 V CC＋0.3 V OS1, 2端子電圧 V OSmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V 外部アラーム OH1, 2端子電圧 V OHmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V REF端子電圧 V REFmax DC GND−0.3 V REF＋0.3 V 外部アラーム入力 電圧 REF端子電流 I REFmax DC 0 150 A ΔV INLH ヒステリシス 許容損失 PD DC ー 1.563 W 動作周囲温度 Ta ー −40 125 ℃ アラーム入力遅れ t dOUTAE 時間 Tj ー −40 150 ℃ （保護特性）電源電圧低下保護 ー −40 150 ℃ 接合部温度 保存温度 表 T STG リセットヒステリ シス Fi007端子説明 端子記号 内 容 V UV 電源電圧低下保護 電源電圧低下検出 ・遮断遅れ時間 電源電圧低下検出しきい値 電圧 V UVHYS 電源電圧低下検出しきい値 ヒステリシス電圧 t dAUV VCC 制御電源 GND 制御回路用グランド IN 制御信号入力 OUT ドライバ出力 PGND ドライバ回路用グランド GV シンク切替電圧検知入力 過熱保護検出電圧 AE アラーム出力/外部アラーム入力 OH1，OH2 過熱検出信号入力 過熱保護検出電圧 VOHHYS ヒステリシス REF 過熱検出用基準電圧出力 IGBT過熱検出・ 遮断遅れ時間 VOH 過熱検出しきい値電圧モニタ アラーム出力 OS1，OS2 過電流検出信号入力 アラーム保持時間 電源電圧低下検出からアラー ム出力までの遅れ時間 s 11.7 V 0.5 V 20 s （保護特性）過電流保護 過電流検出電圧 VOC 過電流検出しきい値電圧 過電流検出遅れ 時間 t dAOC 過電流検出からアラーム出力 までの遅れ時間 4.3 過熱検出しきい値電圧 1.5 V 過熱検出しきい値ヒステリシ ス電圧 80 mV t dAOH 過熱検出からアラーム出力ま での遅れ時間 600 t ALM アラーム出力ラッチ時間 1 V s （保護特性）過熱保護 VOH 8 s ms 407（ 29 ） 特 集 過電流保護 （ 3） 富士時報 Vol.80 No.6 2007 ECU に出力し，IC から見た負荷としての IGBT の状態を ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」 図 過熱保護動作タイミングチャート ECU に伝達することができる。逆に，ECU からシステム 特 集 の異常を示す信号を受け取ることでドライバ出力をオフし， V in IGBT の動作を停止させることもできる。 t dLH V out . 主要特性 V OH1 ， V OH2 表 １， 表 2， 表 3 に，Fi007 の 絶 対 最 大 定 格， 端 子 説 V AE 明および代表的な電気的特性を示す。電源電圧定格は， t dLH ソフト 遮断 V OH（復帰） V OH t dAOH t ALM ソフト 遮断 V OH（復帰） V OH t dAOH t ALM IGBT 駆動に必要な 20 V としている。定格動作周囲温度は， ECU に対する過酷な条件の一つと考えられる Ta ＝−40 〜 ＋125 ℃を保証し，定格接合部温度は，Tj ＝−40 〜＋150 図 過電流保護動作タイミングチャート ℃を保証している。 出力電圧およびアラーム出力は，自動車の起動や停止時 V in に発生し得るバッテリー電圧変動に対しても，安定した出 ソフト 遮断 V out （VREF）と温度検出用電流（IOH）は，補正回路により特性 ばらつきを低減している。 V OS1 ， V OS2 . t dHL t dLH 力信号を供給できる。特に精度の要求される内部基準電圧 パッケージ V OC V AE パッケージは， 図 3 に示す SSOP20 を採用した。アウ t dAOC t ALM ターリードのはんだめっきには，鉛フリー対応の SnAg めっきを用いている。 機 能 . 電源電圧低下保護 ドライバ IC の電源電圧が低下した場合，IGBT はゲー . 過熱保護 ト電圧不足となり動作損失が急増するため，運転を継続す IGBT が異常な温度環境にさらされたり，異常動作に るとチップの温度上昇により素子破壊に至る可能性がある。 よって温度が上がったりした場合，システムの焼損を防 したがって，Fi007 では電源電圧が 11.7 V（代表値）を下 ぐ た め に IGBT の 動 作 を 停 止 さ せ る 必 要 が あ る。Fi007 回ると，IGBT の動作を止める機能を持っている。電源電 は，IGBT チップ上に設置された温度検出用のダイオード 圧低下保護状態は，tALM 期間継続し，VCC が復帰しかつ IC に IOH を供給し，ダイオードの順方向電圧値（VOH と定義） の PWM 入力（VIN）がオフに反転した時点で解除される。 を監視して，過熱発生時にドライバ出力をオフにするこ とで，IGBT の動作を停止させることができる。このとき， . ソフト遮断 AE 端子からは ECU へアラーム信号が出力される。過熱 異常発生時に上述の保護機能が働き，出力電流を通常ス 保護に関するタイムチャートを図 4 に示す。過熱保護状態 イッチング時のゲートインピーダンスで遮断すると，配線 は，tALM 期間継続し，過熱保護状態から復帰しかつ IC の インダクタンスによるサージ電圧が過大に発生し，IGBT PWM（Pulse Width Modulation）入力（VIN）がオフに反 が過電圧破壊する可能性があるため，高ゲートインピー 転した時点で解除される。 ダンスで緩やかに遮断する必要がある。Fi007 は，過熱 保護・過電流保護・電源電圧低下保護の各機能が働く場 . 過電流保護 合，もしくは，外部からアラーム信号が入力された場合に， IGBT に過電流が流れた場合，IGBT の焼損を防ぐため IGBT をソフト遮断するための出力端子電流の切替機能を に通電電流を遮断する必要がある。Fi007 は，電流をセン 有する。 シングするための小さな IGBT がメインの IGBT に埋め込 パッケージング技術 まれており，そこに流れた電流値を，検出抵抗によって変 換された電圧値として監視し，過電流発生時にドライバ出 力をオフにすることで IGBT の動作を停止させることがで . ダイ・アタッチ材の最適化 きる。このとき，AE 端子からは ECU へアラーム信号が Fi007 は，必要端子数の制約と実装効率（チップサイズ 出力される。過電流保護に関するタイムチャートを図 5 に と ECU 基板への実装面積の比）の向上との両立を考慮し， 示す。過電流保護状態は，tALM 期間継続し，過電流保護状 チップ占有率を可能な限り大きくすることのできる 20 端 態から復帰しかつ IC の PWM 入力（VIN）がオフに反転し 子の SSOP パッケージを採用した。このチップサイズが た時点で解除される。 大きな本製品においても，電装市場で求められる温度サイ 408（ 30 ） ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 図 ヒートサイクル（−40 ∼＋150 ℃） 3,000 サイクル後の Ag ペーストクラック調査結果 図 Au 線 Pd 添加有無の違いによる接続抵抗値変化率と， 175 ℃・2,000 時間放置後の断面写真 Y 方向の断面 Y 方向 接合抵抗値変化率（％） X 方向 Pd 非添加 1,000 観察箇所 Pd 非添加 100 10 Pd 添加 1 Pd 添加 0.1 0 500 1,000 1,500 2,000 放置時間 （h） 〔175 ℃〕 えた温度環境でもデバイスが破壊もしくは劣化しないこと クル耐量−40 〜＋150 ℃で 500 サイクル，−40 〜＋105 ℃ が求められてくるものと思われる。 では 3,000 サイクルを保証するためには，ダイ・アタッチ Fi007 では，Au 線に Pd（パラジウム）を微量含有させ 材のクラック抑制が課題となる。またアセンブリの観点で た合金線を導入した。Pd 含有による合金層形成の抑制は はダイ・アタッチ後のバイメタル効果によるダイパッドの 広く知られているが，含有量が増加すると硬度が高くな 反りをいかに低減するかも重要な課題である。本製品では， る性質があり，ボンディング時のクレータリング発生な ダイ・アタッチ材として一般的な Ag（銀）ペーストを採 どのリスクも伴うことになる。そのため，ボンディング 用したが，ダイパッド反りを減らすために，上記温度サ 性と合金層抑制の両面から最適含有量を求めた。その結果， イクル耐量およびダイパッドの反り量と Ag ペーストの内 175 ℃で 2,000 時間放置しても，Au 線とチップ Al パッド 部応力（線膨張係数α×弾性率 E）の関係を三次元シミュ との電気的抵抗値の変動は 10 % 以下に抑えることができ レーションおよび実験により解析し，Ag ペースト厚の最 （図 7） ，かつ安定したボンディング性が確保できた。 適化を図った。また後述する Au（金）線による結線時の 接合性にも着目し，硬化時のアウトガスによる接合面への あとがき 汚染抑制も配慮し，内部応力とアウトガス量の両面から 材料の最適化を実施した。図 6 に，ヒートサイクル（−40 本稿では，ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」に 〜＋150 ℃）3,000 サイクル後の Ag ペーストの断面観察結 ついて紹介した。富士電機では，Fi007 以外にも多くの自 果を示す。クラックの進行は確認されず要求仕様を十分満 動車用半導体製品を扱っている。今後も，市場のニーズを 足する高い信頼性を持ったパッケージ開発が実現できた。 的確に把握しながら，システムに適合する高信頼性製品を 提供し，自動車産業の発展に貢献していく所存である。 . Au 線材料の最適化 Fi007 は，チップ上のワイヤボンディングパッド面積縮 小によるチップサイズ低減を目的として，チップとリード フレームをつなぐ結線材として Au 線を採用している。 参考文献 山口厚司ほか．中・大容量 R シリーズ IGBT-IPM．富士 （ 1） 時報．vol.71, no.2, 1998, p.101-105. Au 線は，Al（アルミニウム）線と比較すると，電気伝 Kajiwara. T. et al. New Intelligent Power Multi-Chips （ 2） 導率が高い反面，高温状態に長時間さらすとチップの Al Modules With Junction Temperature Detecting Function. 膜との接合部に合金層が成長し（通称パープルプレーグ） ， ISPSD. 1998, p.281-284. （ 3） 電気伝導率を下げることがある。一般に，150 ℃を超える 高温環境下ではこの合金層成長が著しく加速される。特に 安 食 恒 雄． 半 導 体 デ バ イ ス の 信 頼 性 技 術． 日 科 技 連． （ 3） p.130-131. 車載用途では，今後，搭載環境の高温化が進み 150 ℃を超 409（ 31 ） 特 集 X 方向の断面 ＊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。