［回路］

解説

次世代パワー半導体デバイス利用に向けた回路技術の現在と今後
大阪大学

舟木 剛＊ Funaki Tsuyoshi＊大学院工学研究科 教授〒 565-0871 大阪府吹田市山田丘 2-1 ☎ 06-6879-7709

はじめに18が実用化され、一部の製品に搭載されるようになり、本格的な利用が始まりつつある。ただしこれらの次世代パワー半導体デバイスを、従来のSiパ

パワーエレクトロニクスは1980年代にSi IGBTワーデバイスの単なる置換えとして利用していてが実用化されてからエアコン・冷蔵庫の家電機器は、多少の損失低減にはなるものの、システムとに始まり、鉄道・鉄鋼などの産業分野、ハイブリしてのパワーエレクトロニクスの飛躍的な性能向

ッド自動車・電気自動車などさまざまな分野で用上は望むことができず、コストに見合った性能がいられるようになった。現代社会はパワーエレク得られるとは言い難い。このため次世代パワー半トロニクスの電力変換によって電気エネルギーを導体デバイスに対応した部品や回路、アプリケー用いた快適性・利便性の追求に加え省エネルギー・ションであるシステムの設計が必要となる。特に再生可能エネルギー利用を可能としている。すな

次世代パワー半導体デバイスの特徴を活かして小わちパワーエレクトロニクスはSDGs（持続可能な型軽量化を目指したシステムの高電力密度化にお開発目標）に示された 2030年までに達成すべき 17

いて、パワー半導体デバイスのパッケージやこれの 目 標 の 1つ で あ る ク リ ー ン な エ ネ ル ギ ー や、を実装する回路の設計が重要となってくる。

2050年のカーボンニュートラルを、これまでに電力変換回路においてインダクタやトランス、手に入れた生活レベルを損なわずに実現するためコンデンサなどの受動部品およびヒートシンクなに不可欠な手段となっている。

どの放熱部品が占める体積や重量が大きいため、パワーエレクトロニクスのアプリケーション拡これを小さくすることが小型軽量化に対して効果大に対応するため、電力変換回路で用いられる主的である。受動部品の小型化にはスイッチング周要部品であるパワー半導体デバイスも進化してき波数の高周波数化が必要であり、これを実現するた。IoTで用いられている集積回路と同様のSiをには、スイッチング動作の高速化を可能とする回材料としたパワー半導体デバイスが従来使われて路設計が必須である。ただし次世代パワー半導体

きているが、特に高電圧アプリケーションに対すデバイスを用いても、スイッチング損失や導通損るデバイス構造や製造プロセスによる性能向上の失などの半導体デバイスでの損失はゼロとはなら限界が見えてきており、これをブレイクスルーすない。したがって生じた損失による熱を放熱するるためにSiCやGaNなどのワイドバンドギャップ必要があるが、小型化することは発熱密度の増大半導体のパワー半導体デバイスへの適用が進めらとなるため放熱性能の向上も同時に必要となる。

れている 1）、2）。SiCショットキーバリアダイオー

本稿では、パワーエレクトロニクスを用いたシド（SBD）にはじまり、SiC MOSFET、GaN HEMT

ステムの小型軽量化を実現するために、次世代パ

特集 1

次世代パワー半導体の最新動向と関連技術の新展開

ワー半導体デバイスに対応した放熱技術および高速スイッチングに必要なパッケージングおよび回路技術について概観する。

放熱技術
パワー半導体デバイスはデバイスチップ単体でモールド樹脂は用いることができないため、リードフレームや銅貼りセラミック基板に実装して使用する必要がワイヤーある。図 1 にリードフレームに実装されたディチップスクリートパワーデバイス、銅貼りセラミック基板上に実装されたパワーモジュール、さらに冷却性能を高めるための両面冷却構造のパワーカードの外観と断面構造を示す。

はんだ
リードフレーム(a)ディスクリートデバイス

ディスクリートパワーデバイスは、ダイアタッチと呼ばれるはんだなどの金属接合材料を用いてデバイスチップをリードフレームに接合する。デバイスチップの表面からはアルミ太線を用いたワイヤーボンディングにより配線をリードフレームに接続する。パワー半導体デバイスでの損失は、おもにデバイスチップで生じ、ダイアタッチ、リードフレームを介して放熱される。表 1 にディワイヤー

スクリートパワーデバイスやパワーモジュールをゲル チップ構成する主な材料の熱伝導率を示す。次世代パワはんだ

ー半導体デバイスに用いられるSiCやGaNは、従絶縁基板来用いられてきたSiに比べて熱伝導率が高く、デハンダ
銅ベース

バイスチップ自体の放熱能力は高いが、熱伝導率の高い銅でできたリードフレームとの間に存在するダイアタッチが放熱性能を律速する。

(b)パワーモジュール

従来、ダイアタッチに使用されてきたはんだはRoHS規制のため鉛フリー化が進められ、SnAgCuなどの組成のものが用いられるようになった。
はんだの熱伝導率は他の金属と比べて低いことか
ら、接合の信頼性を損なうことなく低熱抵抗化す
る接合材料が検討されている 3）。熱伝導率が高い
銀は融点が 961℃と非常に高く、そのままでは接合材料として用いることが難しい。銀を微粒子化することで、融点より低い温度で粒子同士が結合するため、接合材料として用いることが可能となる。ただし微粒子が接合プロセスの前に結合することを防ぐため、有機物などで微粒子の表面をコモールド樹脂
スペーサー
チップ
はんだ
リードフレーム(c)パワーカード
図1

パワー半導体デバイスのパッケージーティングする必要がある。接合プロセスでは、銀微粒子表面のコーティングを加熱することで取2022年冬号（Vol.70 No.1）

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表1

 ワー半導体デバイスのパッケージに用いらパれる材料の熱伝導率
材料
熱伝導率（W/mk）
Si
150
デバイス
4H-SiC490
GaN
200
Cu398
導体AI236
PbSn
35
SnAgCu55
接合材料
Ag418
32
Al203
AIN150絕縁基板Si3N490
放熱グリス シリコーン
3〜4
封止材料
エポキシ樹脂 0.3

スペーサの両面がはんだで接合されるため裏面に比べて熱抵抗は大きくなる。また、パワーカード
ではヒートシンクとの接合において、間隙を一様とするために表裏のリードフレームの平行度を得ることが必要であり、研磨などのプロセスが余分に必要である。
複数のデバイスチップを搭載したブリッジ回路などの機能を持たせる場合は、回路配線の絶縁のために銅貼りセラミック基板を用いてパワーモジュールを構成する。絶縁基板用セラミック材料とし てAl2O3、AlN、Si3N4 が 用 い ら れ る。Al2O3 はGEが 1970年代に酸化金属で銅とアルミナを接合り除き粒子を結合させる。これを焼結と呼び、銀し たDBC（Direct Bond Copper）を 開 発 し た。の場合大気雰囲気下において 300℃以下で可能でAlNはAl2O3 に比べて熱伝導率が大きく、高放熱あるが、焼成に数十分程度が必要であり、はんだ性能が期待できるが機械的強度が低いため、板厚に比べてプロセス時間が長くなる問題がある。まを大きくすることで強度を得ている。AlNに比べた高信頼性化のため接合強度を高くするにはプロ

熱 伝 導 率 は 劣 る も の の、 機 械 的 強 度 に 優 れ た

セス中に加圧が必要となることや、接合面に銀めSi3N4 が近年用いられるようになった。また熱伝っき処理が必要であるなど、さらに改善の余地が導率の改善に向けた開発が行われている。DBCある。銀の替りに銅の微粒子を用いた焼結も開発に代わるセラミック基板の配線として、活性化金4）されている 。銅焼結は接合部に銀めっきを必要

属を用いてセラミックに銅板をロウ付けするとしないが、焼成を水素雰囲気下で行う必要があ

AMB（Active Metal Brazing）が用いられるようるといった課題がある。に な っ た。 銅 の 替 り に ア ル ミ 導 体 に 使 用 す る

ディスクリートパワーデバイスはエポキシ樹脂などを用いたトランスファーモールド成形で絶縁る。

封止されている。モールド樹脂の熱伝導率は金属

デバイスチップのセラミック基板への放熱は、材料やセラミックに比べて非常に小さく、熱伝導リードフレームと同様に貼り付けられた銅板には率の高い材料をフィラーとして混ぜることで熱伝んだや金属焼結を介して行われる。セラミック基

導率を高めているが、それでも熱伝導率は低く、板からヒートシンクへの放熱では、接合面に生じデバイスチップ表面からモールド樹脂を介した放る空隙を埋めるためTIM（Thermal Interface Ma-

熱は期待できない。

terial）と呼ばれる熱伝導性材料を用いる。TIM

デバイスチップ表面からの放熱方法として、上としては熱伝導グリスやシリコンシートがあり、面に接合した銅クリップを介してリードフレーム

最近ではグラファイトなどの熱異方性を持ったも5）に放熱する技術がある 。接合面は大きくとれるのも開発されている。熱伝導グリスを用いた場合が、熱伝達経路は銅板の断面となるため、熱抵抗は、グリスが充填されている部分の間隙が熱サイの低減には限界がある。表面からの放熱経路の面クルにより膨張・収縮するため、グリスが排出さ積を大きくする方法として、図 1（c）に示したパれるポンピングアウトによる熱抵抗の増大という

6）

ワーカードと呼ばれる両面冷却方式がある 。こ問題があった。TIMで生じる熱抵抗を低減するの方式ではデバイスチップ表面からの熱伝達経路ために、銅貼りセラミック基板にヒートシンクをも裏面に匹敵する伝熱面積を得ることができる。

金属接合する直接冷却技術が開発されている。水

ただしトランジスタは表面にゲート電極が存在す

冷用ヒートシンクを接合したうえでウォータージるため、その配線を可能とするためにスペーサをャケットをつけるような構造も提案されている 7）。

配置しており、伝熱経路長が長くなるとともに、20DBA（Direct Bond Aluminum）も実用化されてい特集 1ソース(S)

ゲート(G)

1.E-02

次世代パワー半導体の最新動向と関連技術の新展開

1.0E-07
1.E-01
1.E+00

1.E+01

pn+n+pCoss[F]

1.0E-08n
ドレイン(D)

1.0E-101.0E-11

1.E-02p

Cgd[F]pn+
ドレイン(D)(b)トレンチゲートMOSFETゲート

Vds[V]

1.0E-08
1.E-01
1.E+001.0E-101.E+01

1.E+02

1.E+03Si MOSFET

SiC MOSFET

1.0E-11
1.0E-12

n+n-ソース

SiC MOSFET

1.0E-09

ゲート(G)n+

Si MOSFET(a)出力容量(a)プレーナゲートMOSFET
ソース(S)

1.E+03

1.0E-09n+

1.E+02Vds[V](b)帰還容量

図3

MOSFETのC-V特性例

きる。SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体は絶縁破壊強度が大きいことから、ドープする不純物濃度を高くすることができるため小面積のデバイスで低抵抗化を実現することができる。

ドレイン

AlGaN
GaN
基板

一方、高不純物濃度により逆バイアス電圧印加時の空乏層電荷量も大きくなるため小面積化の効果を相殺し、出力容量の低減は容易でない。とくに
図 2（a）（b）に示す縦型デバイスの場合、導通抵抗を低減できるトレンチゲート構造は、ゲート電(c)GaN HEMT極とドレイン電極の距離が短くなるため、帰還容

図2いる。図 3 に出力容量（Coss）と帰還容量（Crss）

デバイス構造量の低減がスイッチング速度向上の課題となってのドレイン電圧依存性を示す。一方、図 2（c）に高速スイッチング

示す自発分極とピエゾ分極による 2次元電子ガスを利用する横型デバイスのGaN HEMTは出力容量や帰還容量が小さく、高速スイッチングに適しバイスは、半導体材料の特性を活かしたFETやたデバイス特性を示す。高速スイッチング動作では電圧や電流の変化率dv/dt、di/dtが大きくなる。

SBDなどのユニポーラ素子であり、スイッチン出力容量の大きいパワー半導体デバイスは、ターグ動作においてテール電流や逆回復電流として現ンオフ時に充電に要する時間が大きくなる。またれる蓄積少数キャリアの処理が必要ないことからFETではハードスイッチングのターンオン時に高電圧大電流の高速なスイッチング動作が期待では、出力容量に蓄積されていたエネルギー Eoss

現在、実用化されている次世代パワー半導体デ

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