特 集 SPECIAL REPORTS 車載用電子制御ユニットの高性能化と小型化に貢献する 新世代 LV-MOS New-Generation Low-Voltage MOSFETs Contributing to High-Performance and Compact ECUs for Automotive Use 大藏 厳太郎 ■ OKURA Gentaro 最近の自動車には，年々強化される燃費や排ガスなどの法規制をクリアするために開発された，様々な電子制御ユニット （ECU）が多数搭載されている。これらECU の性能アップを実現するためには，LV-MOS（低耐圧パワー MOSFET（金属 酸化膜半導体型電界効果トランジスタ））など，使用される車載用パワー半導体の性能向上が不可欠である。 東芝は，これらの市場要求に応えるため，低損失かつ低容量特性を実現した車載用 LV-MOSチップ（Nチャネル及びP チャ ネル）を開発した。また ECU の小型化に貢献する，三つの面実装パッケージシリーズとベアチップを直接回路基板上に実装 できるKGD（Known Good Die）を開発した。 Automobiles are equipped with electronic control units (ECUs) of various types, which have been developed so as to comply with laws and regulations related to fuel consumption and emissions that are becoming increasingly strict year by year. In order to realize high-performance ECUs, it is essential to improve the performance of automotive power semiconductors such as low-voltage metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (LV-MOSFETs). To meet the demands of the automotive electronics market, Toshiba has developed p-channel and n-channel LV-MOSFET chips with low loss and low capacitance characteristics, as well as three types of surface mount packages and a known good die (KGD) that can be mounted directly on a circuit board to contribute to the miniaturization of ECUs. 1 まえがき 西暦年 1940 歴史をひも解くと，内燃機関を動力とした機械部品の組合 せであった自動車が，電子制御化（カーエレクトロニクス）の 産声をあげたのは 1950 年代である。その後，様々な自動車の 技術革新に半導体デバイス群は深く関わってきた。東芝は， カーエレク トロニクス の歴史 1950 図1に示すとおり，車載用にダイオードやバイポーラトランジス タ，パワー MOSFET（以下，パワー MOSと略記） ，IGBT（絶 縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体を開 1960 1970 各地域の法規制（図 2）への対応による部分も大きいことがう かがえる。 近年強化されている燃費規制をクリアする一つの形として， 各自動車メーカーは環境対応車の開発を進め，その車種も増 え続けている。環境対応車は，1990 年代後半に HEV（ハイ ブリッド電気自動車）⑴，2000 年後半に EV（電気自動車）⑴， 2012 年に PHEV（プラグインHEV：図 3）⑴ が 市場に登場し， 更に 2014 年には FCV（燃料電池車）の市場投入が発表され ている。一方，市場環境も，ガソリン価格の高騰や地球温暖 化などによりユーザーの環境対応車志向を後押ししているた 2000 2010 バイポーラ IC 8 ビット MCU ゲートアレイ，カスタムロジック BiCMOS IC NOR 型フラッシュメモリ MOSFET, IPD カーエレクトロニクスが今日まで進化してきた背景には，自 特性を向上させるだけでなく，社会的影響度を考慮した各国 1990 ・ETC, DSRC ・オートクルーズ ・ABS ・車高調整装置 ・エアバッグ ・EPS ・デジタルメータ ・カーナビ ・ESC ・HEV ・サスペンション コントロール ・バックビューモニタ ・ナイトビジョン ・エアコアメータ ・MOST ネットワーク ・デジタルテレビ 整流器 東芝の 車載用半導体 発してきた。 動車本来の性能である， “走る”， “止まる”， “曲がる”の基本 1980 ・トランジスタ ・オルタ ・トータルエンジン ラジオ ネータ コントロール ・真空バルブ ダイオード ・酸素センサ 式燃料噴射 空燃比制御 制御 ・間欠ワイパ ・回転計 ・フラッシャ BiCDMOS IC パワー半導体 16 ビット MCU 32 ビット /64 ビット RISC MeP, DSP IGBT ABS ：Anti-lock Brake System（アンチロックブレーキシステム） ETC ：Electronic Toll Collection System（ノンストップ自動料金収受システム） DSRC ：Dedicated Short Range Communication（専用狭域通信） EPS ：Electric Power Steering（電動パワーステアリング） ESC ：Electronic Stability Control（横滑り防止装置） MOST ：Media Oriented Systems Transport ：Micro-Control Unit（マイコン） MCU BiCMOS ：Bipolar Complementary MOS ：Intelligent Power Device（インテリジェントパワーデバイス） IPD BiCDMOS：Bipolar CMOS/Double-diffused MOS ：Reduced Instruction Set Computers（縮小命令セットコンピュータ） RISC MeP ：Media Embedded Processor ：Digital Signal Processor DSP 図1．カーエレクトロニクスと東芝の車載用半導体製品の進展 ̶ アプ リケーションの増加に伴い，様々な車載用半導体製品が利用されている。 Progress of automotive electronics and Toshiba semiconductor products for automotive applications め，着実に販売台数を伸ばしている。最新の販売台数予測で 16 東芝レビュー Vol.69 No.8（2014） 日本 2015∼16 年 2020 年 燃費 16.8 km/L 燃費 20.3 km/L 米国 燃費 燃費 燃費 15.2 km/L 23.2 km/L 中国 パワーシート パワースライドドア CO2 排出量 70 g/km 11.7 km/L 燃費 14.5 km/L メカ二カル 電子化 方式（従来） （半導体） 家庭用電源 AC/DC CAN インバータ DC/DC 電池管理 ユニット コンバータ EPS 車載 充電器 CAN モータ ブレーキ 油圧電動 ポンプ エアコン ECU アクセル ブレーキ セレクタ レバー 電池監視 電池監視 ユニット ユニット 駆動用 電池 電池 バッテリー モジュール モジュール PHEVECU エアコン コンプレッサ ヒータ IPD 低耐圧 又は 大電流 システム LSI パワー MOS 急速充電 コネクタ 非接触充電／接触充電 AC/DC 急速充電スタンド パワー半導体搭載アプリケーション PHEV システムの追加部分 AC：交流 DC：直流 CAN：Controller Area Network 図 3．PHEVシステムのブロック図の例 ̶ 様々な箇所にパワー半導体 が使われている。 Example of configuration of plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) system IGBT + FRD センサ バックソナー ミリ波レーダ ナイトビジョン ITS テレマティクス カーナビ インテリ ジェント化 ダイ オード 高耐圧パワー MOS モータ 図 2．乗用車の燃費に関する法規制の動向 ̶ 各地域で燃費や排ガスに 関する法規制が強化されている。 補助 バッテリー エンジン補器 DC/DC コンバータ AC/DC コンバータ HEV Trends in laws and regulations related to fuel consumption of passenger cars パワー オートエアコン エンジンバイワイヤ＊ ブレーキバイワイヤ 燃費 ： 乗用車の企業平均燃費 エンジン ドライバ EPS 燃費 20.0 km/L 普通充電コネクタ （100 V/200 V） IPD 化 パワー IC 化 直噴エンジン 燃費 33.0 km/L 燃費 17.8 km/L 欧州 ABS AT コントロール 2025 年 特 集 現在 パワー半導体 ECU 燃費向上と CO2 排出量の抑制 低電圧 電源 低耐圧，小電流 パワー MOS 又は 電源 IC AT ：Automatic Transmission（自動変速機） ITS ：Intelligent Transport Systems（高度道路交通システム） FRD：Fast Recovery Diode ＊バイワイヤは，制御を電気的に行うこと 図 4．ECUとパワー半導体の関連図 ̶ それぞれの機能に応じたパワー 半導体が使われている。 Relationships between power semiconductor devices and ECUs 全（交通事故防止）技術の向上，及び快適性の向上を軸に開 発が進んでおり，これらを実現するために，より高度な制御が 可能なECUの搭載が増加している（図 4） 。そして，この動向 に合わせて車載用パワー半導体では，高性能（低損失）化や ECUの小型化に対応した製品の開発が進められている。 車載用 LV-MOS は，主に次の二つのアプリケーションに使 用されている。 ⑴ モータ制御 車載用モータは，その用途とパワーに 応じてブラシ付きモータとブラシレスモータが使い分けら れている。これらのモータには，LV-MOSシリーズのN チャネルタイプで DSS = 40 ∼ 80 Vの製品が使用される。 は，環境対応車は 2020 年には 1,000 万台/年を超えるとされ ここで， ている。 いる。また，駆動方式によってはハイサイド側に P チャネ これらの環境対応車は，走行用モータを駆動するインバー タ及び昇圧用のIGBTや，アイドリングストップ時にエンジン及 び 他 のECU 部を補 佐 する電 動 モータドライブ用のパワー MOS などを多数使用している。 ECUの性能向上は，車載用パワー半導体の技術革新と密 DSS はドレインソース間電圧の最大定格を表して ルタイプのパワー MOS が使われる場合もある。 ⑵ 電子スイッチ 従来，メカニカルリレーを使用して オン／オフ制御していたスイッチング アプリケーションには， 車載用LV-MOSシリーズのNチャネルタイプで DSS = 40 ∼ 250 Vの製品が使用される。またモータ用途と同様に， 接な関係にあり，自動車の重要な指標である燃費や電費に大 駆動方式によってはハイサイド側に P チャネルタイプのパ きな影響を与えている。 ワー MOS が使われる場合もある。更に，パワー MOS に 保護機能を付け加えた IPD（インテリジェントパワーデバ 2 自動車アプリケーションの動向 自動車アプリケーションは，環境への配慮（CO（ 2 二酸化炭素） 排出量削減），資源エネルギーへの対応（燃費向上），予防安 車載用電子制御ユニットの高性能化と小型化に貢献する新世代 LV-MOS イス）を使う場合もある。 いずれの用途にも，低損失，容量特性の最適化，及び小型 パッケージ化の要求があり，当社はアプリケーションの動向に 対応した製品を開発している。 17 3 車載用 LV-MOS の開発動向 250 V，及び P チャネルタイプで DSS DS S = 40 ∼ = −40 ∼−100 Vと幅広い アプリケーションに対応できるラインアップを開発している。 3.1 N チャネルタイプの開発動向 DS（on）/ ， iSS・ （UMOS-Ⅳで規格化） 当社の車載用 LV-MOS は Nチャネルタイプで 1.4 一般にパワー MOS では，単位面積当たりの集積度を上げ 造のパワー MOSを開発し，飛躍的にオン抵抗を下げることが できた。しかし，単純に集積度を増加させると，パワー MOS のゲート入力容量が増加するため，オン抵抗損失が低減して も，スイッチング損失が増大する現象が起こる。つまり，オン = 40 V 製品 ・ iss 1.0 0.8 0.6 / 0.4 DS（on） 0.2 0 ることでオン抵抗を低減してきた。当社は，2000 年頃に，従 来のプレーナ構造での課題をブレークスルーできるトレンチ構 DSS 1.2 UMOS-Ⅳ UMOS-Ⅷ UMOS-Ⅸ 現世代 新世代 次世代 iss：入力容量 ：電流の導通に関わる有効面積 ＊UMOS-Ⅸは目標値 図 6．N チャネルタイプ LV-MOS の DS（on）及び の増加を抑えながらオン抵抗の低減を進めている。 Trends in on-resistance, power MOSFETs iss のトレンド ̶ 容量 , and input capacitance, DS (on) iss , of n-channel 抵抗を下げた損失低減効果がスイッチング損失の増大に打ち 消され，パワー MOS 全体での損失が下がらないことが課題 になった。 2.0 sw × DS（on） を定義し，その数値の低減を進めてきた。ここで， はオン抵抗（ドレインソース間）を表している。また， DS（on） sw は， ゲートに電荷が蓄積してパワー MOS がオン状態になる過程に おいて，しきい値電圧 th を超えてミラー期間（注 1）が終わるまで （UMOS-Ⅳで規格化） スよく向上させるため，この性能を表す指標として， 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.2 0 状態のパワー MOS はオン状態に切り替わり，また，逆も同様 Nチャネルタイプの車載用 LV-MOS の開発動向を図 6 に示 す。新世代UMOS -Ⅷは，現世代UMOS -Ⅳと比較して，オン = 40 V 製品 0.4 。この期間でオフ のゲート蓄積電荷量と定義している（図 5） となる。 DSS 1.8 DS（on） そこで，このオン抵抗とゲート容量の相反する特性をバラン UMOS-Ⅲ UMOS-Ⅳ 図 7．P チャネルタイプ LV-MOS の 抵抗が低減されている。 Trend in DS (on) UMOS-Ⅵ のトレンド ̶ 世代ごとにオン DS（on） of p-channel power MOSFETs 抵抗が 20 % 低減したのに対し，容量の増加分が 10 %に抑え られている。また，開発中の次世代UMOS -Ⅸでは，同様に 世代が替わるごとに指標 UMOS -Ⅳとの比較で，オン抵抗の低減率が 50 %に対し，容 されている。 量の増加分が 20 %に抑えられている（目標値） 。このように， 3.2 × DS（on） sw を低減した製品が開発 P チャネルタイプの開発動向 P チャネルタイプの車載用 LV-MOS の開発動向を図 7に示 す。P チャネルタイプは，オン／オフスイッチとしてのアプリケー ションが多いため，Nチャネルタイプと異なり，低オン抵抗を追 g （V） 求した製品を開発している。 gs1 SW GS 4 車載用 LV-MOSFET用パッケージの開発動向 th 2 章で述べたように，自動車に搭載されるECUの数は増え gd 続けており，その小型化が進められている。これに対応する ためには，車載用パワー半導体でも，次世代製品を提供する （nC） gate GS gd g ：ゲートソース間電圧 ：ゲートドレイン間電荷量 ：トータルゲート電荷量 gs1 ：ゲートソース間電荷量 1 ：ゲート電荷量 gate 場合に，現世代よりも小型であることが望まれる。しかし，車 載用パワー半導体のパッケージ開発は，小型化と低パッケー ジ抵抗の実現だけでなく，大電流通電（EPS（電動パワーステ 図 5． sw の定義 ̶ パワー MOS のオン／オフに関わるパラメータである。 Definition of gate switch charge, 18 sw （注1） ドレインソース間電圧が変化するときにゲートソース間電圧が一定 になる期間。 東芝レビュー Vol.69 No.8（2014） アリング）の例では，ドレインピーク電流 DP = 約100 A）の要 相当の面実装パッケージを開発した。ソース端子の幅を 従来品に比べて約 2 倍の 2.8 mmに広げることで，リード 部のオン抵抗成分を削減し，放熱面積を拡大したこと 発は，チップ性能の向上と同様に，車載用パワー半導体の重 で，大電流を通電したときの発熱を抑えることができた 求や，チャネル温度 ch 。 （図 9） 要な開発要素となっている。 D =数 A また，内部のボンディング方式を，従来のAl（アルミニ ∼ 150 Aに対応できる面実装パッケージシリーズとして，Cu ウム）ワイヤから，Cuコネクタ構造に替えることでパッ これらの市場要求に対応するため，ドレイン電流 （銅）コネクタ構造を用いたTO-220SM（W）及び DPAK+と， ケージ抵抗を 0.35 mΩ（標準値）まで低減できた。 小型モータ用に最適なSOP系小型パッケージ（SOP Advance， ⑵ DPAK+ TO-220SM（W）と同様の Cuコネクタ構 TSON Advance，及び PS-8）を開発し，ラインアップを拡充し 造を用いたTO-252クラス（DPAKとも呼ばれる）相当の ている（図 8）。また，よりいっそうの小型化要求に対応する 面実装パッケージである。Cuコネクタ構造により，パッ ために，ベアチップタイプのKGD（Known Good Die）を開発 ケージ抵抗を 0.8 mΩ（標準値）まで低減した。 ⑶ SOP系小型パッケージ DPAK+以下の数 A∼30 Aを し，量産化している。 カバーする小型面実装パッケージ群である。SOP Advance ⑴ TO-220SM（W） TO-263（D2PAKとも呼ばれる） 及び TSON Advanceは，裏面に放熱板（ドレイン端子） を配置することで，低熱抵抗と高放熱性能を実現してい る。PS -8 は，最新世代のチップを搭載することで，小型 低オン抵抗化，高放熱化のため Al ワイヤボンディングから Cu コネクタ構造に変更 DPAK+ 電流定格（A） 100 10 PS-8 ⑷ KGD 一部のECU では，ベアチップを直接基板に TO-220SM（W） 実装することで，パッケージ製品を並べるよりも更に小型 SOP Advance TSON Advance モータアプリケーションに最適な製品を提供している。 化することが求められる。例えば，EPS では機構部分に 大型 TO-3P（N） 中型 ECUを実装する機電一体化の要求がある。これらの市 場要求に応えるベアチップ製品を提供するためにKGDを 小型 開発した。また，従来のベアチップ測定装置では対応で きなかった大電流測定方式を確立し，パッケージ製品と 1 10 同等レベルのオン抵抗保証を実現している。 100 実装面積（mm2） 図 8．面実装パッケージのラインアップ ̶ 用途に応じた様々な面実装 パッケージをラインアップしている。 5 あとがき Lineup of surface mount packages 今後，自動車とそのECU は，様々な社会環境や，市場要 求，法規制などに対し，柔軟に対応して進化を続けていくこと が予想される。 180 秒後のソース端子温度（℃） 250 これからも市場からの要求に対応するために車載用パワー 半導体のチップ及びパッケージの性能を向上させた新製品を 200 提供し，自動車産業の発展に貢献していく。 電流通電能力を 約 2 倍に向上 150 文 献 従来品 100 ⑴ 50 東芝． “HEV/EVシステム” ．東芝 半導体＆ストレージ製品ホームページ． <http://www.semicon.toshiba.co.jp/application/automotive/ecology/ hev-ev/index.html>， （参照 2014-07-16） ． TO-220SM（W） 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 秒後のドレイン電流 D（A） 図 9．ソース端子温度の比較 ̶ TO -220SM（W）は，ソース端子を広げ たので， D を大きくしても温度上昇が低く抑えられている。 Comparison of temperature rise at source terminal of conventional and TO220SM(W) packages 車載用電子制御ユニットの高性能化と小型化に貢献する新世代 LV-MOS 大藏 厳太郎 OKURA Gentaro セミコンダクター＆ストレージ社 ディスクリート半導体事業部 パワー半導体 応用技術部参事。車載用パワー MOSFETの商品企画と応用技術業務に 従事。自動車技術会 車載用パワーエレクトロニクス技術部門委員会委員。 Discrete Semiconductor Div. 19 特 集 =175 ℃を想定した高温度かつ長時間 の信頼性要求など，難易度が高い。そのため，パッケージ開
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