富士時報

第74巻第2号（2001年）

パワー半導体の現状と動向

関　康和

富士電機における最近のパワー半導体開発の経過を振り返る。これまでの富士電機におけるパワー半導体としてのトランジスタやIGBT の開発経緯などを，デザインルールの推移や，デバイス容量の推移などの図を用いて概説する。また開発の最前線として代表的なパワーMOSFET ，IGBT ，そしてアセンブリ技術について，それぞれSuper FAP ‐ G シリーズ，EconoPACK ‐ Plus ，そしてSnAg系の新はんだ材料におけるモジュールの信頼性について概説する。

サイリスタ内蔵パワー集積モジュール

佐藤　卓・小林　靖幸

産業用インバータなどの電力変換装置においては，装置の小型化，高信頼性化の要求が高まってきている。このたび，富士電機では，入力ダイオードブリッジ，出力IGBT ブリッジ，ダイナミックブレーキ用IGBT ，ケース温度保護用サーミスタに加え，直流中間コンデンサの突入電流制御用のサイリスタを1 パッケージに封入した製品を開発し，装置設計の簡素化を可能とした。

大容量6 in 1 IGBT モジュール「EconoPACK‐Plus 」

・別田　惣彦

産業用インバータなどの電力変換装置では40kW から1MW クラスの大容量品の需要が高まっており，これに使用される電力変換用半導体素子にはさらなる小型化，高信頼性化，大電流化，高性能化，使いやすさが求められている。これらの要求に対し富士電機は，大電流定格6個組IGBTモジュール「EconoPACK ‐ Plus」を製品化する。この製品は新世代IGBT/FWD適用による従来比約20％の損失改善（高性能化），サーミスタ内蔵による高精度な温度検出（高信頼性化），従来比約50％のベース面積削減（小型化），並列接続容易なパッケージ，チップ特性（大電流化）を実現する。

低損失・超高速パワーMOSFET 「SuperFAP‐G シリーズ」

山田　忠則・黒崎　淳・阿部　和

電気・電子機器に対する省エネルギー対策が進む中，これらの機器に搭載されているスイッチング電源に対しても，いままで以上の低消費電力化，高効率化，低待機電力化のニーズがある。富士電機ではこのようなニーズを踏まえ，高精度加工技術を用いてストライプセル設計の最適化を行い，オン抵抗‐ ターンオフ損失のトレードオフ特性を改善することで，低損失，超高速スイッチングを実現したパワーMOSFET を開発・製品化した。

ハイサイド高機能MOSFET

鳶坂　浩志・大江　崇智・市村　武

自動車用電子制御装置は年々増加の一途をたどっており，自動車電装メーカーでは，その小型，高性能，低コスト化を切望している。このたび，駆動・制御・保護などの回路と，パワーデバイスをワンチップ化したハイサイド高機能MOSFET F5045Pを開発中であるので紹介する。F5045Pの特徴は次のとおりである。(1)定格・パッ ケージ：50V ，1A ，SOP‐8 ，(2)過電流・過熱検出機能の内蔵，(3)最低動作電源電圧3 V ，(4)静止電源電流100μA ，(5)オン状態保持用として2入力端子構成。

電源用マルチチップパワーデバイス「M‐POWER 」

太田　裕之・寺沢　徳保

スイッチング電源は低消費電力，高調波・ノイズの低減など環境への配慮が求められている。そのため一つのコンバータでこれらの要求に対応できる電源を開発し，専用マルチチップパワーデバイス「M‐POWER」として商品化した。特徴は次のとおりである。
(1) 高効率：スナバエネルギー回生
(2) 待機時入力電力3W以下でエナジー2000適合：サブ電源不要
(3) 高調波規制IECクラスD適合：アクティブフィルタ回路不要
(4) ラッチ停止付き保護による保護機能の充実

超薄型パワーSMD

梅本　秀利・古島　達弥

インターネットなどによる急激な情報化社会の発展に伴い，携帯電子機器や情報通信の分野では，さらなる小型・軽量化，省エネルギー化，高効率化が求められている。これらの市場要求に対応すべく，放熱特性を確保したフラットリード構造を適用し，かつ，素子高さを従来品の約60％まで薄くした大電流・超薄型パワーSMD「SDシリーズ」および「TFPシリーズ」を開発・製品化したので，その概要について報告する。

電子レンジ用高圧ダイオード

久保山　貴博・渡島　豪人

最近の電子レンジの技術動向として，高周波出力の高出力化，高周波駆動型電子レンジの駆動周波数の増加がある。また，調理室（庫内）の有効容積率の改善に伴い，電源スペースは狭小となり，使用される高圧ダイオードには今まで以上の低損失駆動が求められる。一方，マグネトロンの異常放電による高サージ耐量の確保も必要とされる。富士電機ではこのような背景を踏まえ，低損失かつ高サージ耐量を実現した新規チップ設計による電子レンジ用高圧ダイオードを開発した。

4.5 kV 高耐圧平型IGBT

藤井　岳志・・松原　邦夫

IGBT 素子の高耐圧・大容量化の要求に対し，4,500V の耐圧で2,000A および1,200A の電流容量を有する平型IGBTを開発した。パッケージ構造の改善と，内蔵するIGBT，ダイオードチップの設計の最適化により，高い長期信頼性を実現するとともに，素子の高破壊耐量化が図られている。また，高いラプチャー耐量を持ち，平型構造を生かした直列接続による装置適用が容易となっている。現在さらなる素子特性の改善と，システムへの適用を進めている。

600V スーパーLLD

北村　祥司・松井　俊之

スイッチング電源においては，最近の高調波ノイズ規制の動きも相まって，力率改善回路への要求が高まっている。
力率改善回路のスイッチング損失を低減し，低ノイズとするには，ダイオードの逆回復電流の低減とソフトリカバリーが重要なポイントとなる。そのため，素子動作シミュレーション技術を活用し，素子構造の最適化を図ることで，逆回復電流を従来レベルの約半分で，しかもソフトリカバリーな600V スーパーLLD を開発した。

パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術

両角　朗・山田　克己・宮坂　忠志

パワー半導体モジュールの信頼性において最も重要視されるパワーサイクル信頼性について，寿命向上のための設計技術を紹介する。シリコンチップ接合部にPb 基はんだを用いるIGBTモジュールのパワーサイクル寿命は，実使用温度域でははんだ接合部の寿命が支配的である。そこで，はんだ接合部寿命の改善を行うべく，高強度で濡れ性に優れたSnAg系鉛レスはんだ材料を新たに開発した。シリコンチップ接合部に新開発のSnAg系はんだを適用し，パワーサイクル寿命の向上を達成した。さらに，破壊メカニズムを明らかにした。

過渡オン状態からのダイオード逆回復現象の解析

長畦　文男・田上　三郎・桐畑　文明

FWD においてその通電期間が1μs以下で起こるクリティカルな逆回復現象を，1,800V/800A IGBTモジュールを用いて実験的に調べた。この場合，きわめて高いdv/dtとスパイク電圧および電圧・電流の振動が観測される。この現象は短い通電期間による，nベース中へのキャリヤ注入が少ないことに起因する。また，電圧・電流の振動はFWDチップの完全な空乏化と，外部回路間のLC共振である。このように，素子の定格電圧を超える高いスパイク電圧は，FWDチップエッジのガードリング部にくさび状損傷を残す素子破壊に通じる。

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