SEMITOP - Semikron

Technical Explanation
SEMITOP®
Revision:
03
Issue date:
2015-10-14
Prepared by:
Marco Di Lella
Approved by:
R.Ramin, V.Demuth
Keyword: SEMITOP、technical explanation、1 本のネジで組付け、ベースプレートなし、はん
だ付けピン、プレスフィットピン、高さ 12mm、自在性、低インダクタンス設計、サーマルペース
ト、アセンブリ、トルク、ワッシャー、ネジ、ヒートシンク、データシート、レーザーマーキング、包
装、ラベル、データマトリクス、Rohs、ESD、信頼性
1
はじめに......................................................................................................................................3
1.1 SEMITOP®主な特長 .................................................................................................................3
1.2 優位性と利点...........................................................................................................................3
1.3 SEMITOP®ニュース：PCB へのはんだフリー組付け端子 ........................................................................3
2
SEMITOP®製品詳細 ......................................................................................................................4
2.1 機械的構造 .............................................................................................................................4
2.1.1 外形寸法公差 ....................................................................................................................5
2.2 製品ラインアップ .......................................................................................................................6
2.3 チップ技術 ............................................................................................................................ 10
2.4 SEMITOP®形名付与法 ............................................................................................................ 11
3
チップ技術と最適動作周波数 ............................................................................................................ 12
3.1 IGBT 特性 ........................................................................................................................... 13
3.1.1 600V、650V IGBT .......................................................................................................... 13
3.1.2 1200V IGBT.................................................................................................................. 14
3.2 MOSFET 特性 ....................................................................................................................... 16
3.2.1 Si MOSFET ................................................................................................................... 16
3.2.2 SiC MOSFET ................................................................................................................. 16
3.3 逆およびフリーホイールダイオード ................................................................................................. 17
3.3.1 SEMIKRON CAL ダイオード ................................................................................................ 17
3.3.2 高速ダイオード ................................................................................................................. 17
3.4 チップの動作領域 .................................................................................................................... 18
3.4.1 IGBT のターンオンおよび単発パルス動作に対する安全動作領域(SOA) ............................................. 18
3.4.2 IGBT の繰り返しターンオフに対する逆バイアス安全動作領域(RBSOA) .............................................. 19
3.4.3 IGBT の非繰り返し短絡ターンオフに対する短絡安全動作領域(SCSOA) ............................................. 19
3.4.4 MOSFET の単発パルス動作時に対する安全動作領域(SOA) .......................................................... 20
3.4.5 CAL ダイオードサージ電流特性 ............................................................................................ 21
4
SEMITOP®技術 .......................................................................................................................... 22
4.1 ベースプレートレス基本技術 ....................................................................................................... 23
4.2 材料データ............................................................................................................................ 25
4.3 熱抵抗 Rth の定義と測定 ........................................................................................................... 26
4.3.1 測定の設定..................................................................................................................... 27
4.3.2 Rth の測定原理 ................................................................................................................ 27
4.3.3 過渡熱インピーダンス Zth .................................................................................................... 27
4.4 内蔵温度センサー ................................................................................................................... 29
4.4.1 電気的特性(NTC) ............................................................................................................ 29
4.4.2 電気的特性(PTC) ............................................................................................................. 30
4.4.3 電気的絶縁..................................................................................................................... 31
5
組付け方法 ................................................................................................................................ 32
5.1 ヒートシンク仕様 ..................................................................................................................... 32
5.2 組付け面.............................................................................................................................. 32
5.3 組付け手順 ........................................................................................................................... 35
5.3.1 はんだ端子 SEMITOP®...................................................................................................... 35
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PROMGT.1026/ Rev.3/ Template Technical Explanation
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5.3.2 プレスフィットピン SEMITOP® ............................................................................................... 36
5.3.3 組付け工程概要 ............................................................................................................... 36
5.4 サーマルグリース塗布 .............................................................................................................. 37
5.4.1 標準サーマルグリース仕様 ................................................................................................... 37
5.4.2 塗布済みサーマルペースト仕様 ............................................................................................. 37
5.5 ヒートシンクへの組付け ............................................................................................................. 38
5.6 SEMITOP® と PCB の整合 ........................................................................................................ 39
5.6.1 はんだ端子 SEMITOP®...................................................................................................... 39
5.6.1.1 PCB へのはんだ付け ......................................................................................................... 39
5.6.2 PCB とプレスフィットピンの接続 .............................................................................................. 41
5.6.3 PCB スターターキット .......................................................................................................... 44
5.6.3.1 はんだ端子 SEMITOP®4 GD 回路用デモ PCB 基板 .................................................................... 44
5.6.3.2 はんだ端子 SEMITOP®4 DGDL 回路用デモ PCB 基板 ................................................................ 44
5.7 ESD 保護 ............................................................................................................................ 45
6
技術説明 ................................................................................................................................... 45
6.1 プレスフィット技術の原理 ........................................................................................................... 45
6.2 ピンの電流容量 ...................................................................................................................... 46
6.2.1 はんだ端子の電流容量 ....................................................................................................... 46
6.2.2 プレスフィットピンの電流容量................................................................................................. 47
6.3 スズのウィスカー形成 ............................................................................................................... 47
6.4 サーマルインターフェース材料 ..................................................................................................... 48
7
電気・電子機器特定有害物質使用制限指令(RoHS) .............................................................................. 50
8
レーザーマーキング ...................................................................................................................... 51
9
梱包仕様 ................................................................................................................................... 51
9.1 梱包箱 ................................................................................................................................ 51
9.2 梱包表示 ............................................................................................................................. 52
9.3 保管および保存条件 ................................................................................................................ 53
10 信頼性 ..................................................................................................................................... 54
10.1 認定試験および特殊試験 ........................................................................................................... 54
10.2 寿命計算 ............................................................................................................................. 56
11 サポート .................................................................................................................................... 58
11.1 特定顧客向けパワーモジュール ................................................................................................... 58
11.2 追加サービス ......................................................................................................................... 59
11.3 SEMISEL シミュレーションソフトウェア ............................................................................................ 60
12 図一覧 ..................................................................................................................................... 61
13 表一覧 ..................................................................................................................................... 62
14 式一覧 ..................................................................................................................................... 62
15 記号と用語................................................................................................................................. 63
16 参考文献 ................................................................................................................................... 64
17 履歴 ........................................................................................................................................ 65
18 免責事項 ................................................................................................................................... 65
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1
はじめに
SEMITOP®は主に単相インバータ、ブリッジ整流器、サイリスタといった数タイプの回路構成で、1990 年代に発表されました。
現在、SEMITOP®は 4 つのケースサイズがある完成されたモジュールファミリーで、高性能、高機能、高信頼性および低コストを
要求する新しい応用の目標を実現します。
1.1
SEMITOP®主な特長
 自在なモジュールファミリー: 最大連続電流 300A、55kW までの出力に対応する様々なケースを有する、完成された製品ラ
インアップで、電流定格の上昇に対し同じ回路が適合可能です。
 PCB との接続: SEMITOP®は、はんだ端子またはプレスフィットピンを経由して PCB と接続します。この 2 つのオプションが
お客様の工程要件を満たします。
 ベースプレートなし、DCB セラミックによる優れた熱的特性: これによって動作温度を低く、高寿命を保証
 ヒートシンクに 1 本のネジで迅速、確実に組付けられます
 モジュール高さ 12ｍｍ
 高絶縁耐圧: 2.5kV/AC/1min、3kV/AC/1s 50Hz
 お客様のアプリケーションに特化: 現在、標準およびカスタム品で 70 の回路があり、ラインアップは広範囲に亘っています。
CIB、6 パック、ブリッジ整流器、AC スイッチ、PFC 回路(バック、ブースト、ダブルブースト、インターリーブ)、3 レベルインバ
ータ（NPC および TNPC タイプ）の 1 アーム、および様々なアプリケーション向け多くのカスタム品
 SEMITOP®の主な目標市場は最大 55kW 出力のドライブ、UPS、太陽光、溶接機です
 浮遊インダクタンスを極端に低減したパターン向け小型ケース
 最新チップ技術の搭載可能: 高速 IGBT、高速スイッチングダイオード、高耐圧 MOSFET、シリコンカーバイド（SiC）ダイオ
ードおよび MOSFET
1.2
優位性と利点
SEMITOP®はベースプレートがない、チップと主端子がセラミック基板上に直接はんだ付けされたモジュールです。セラミック基
板にプラスチックケースが取付けられ、1 本のネジによってヒートシンクに実装されます。これによって、横方向 2 ヵ所のネジ取付
けに比べて、組立てプロセスを短縮できます。
モジュール中央の 1 本のネジによる組付けで、均等な圧力分布によって低抵抗を実現します。その結果、接合温度の上昇を低
減し、高信頼性を実現します。
現在 2 つのオプション、はんだピンまたはプレスフィットの PCB インターフェース接続を提供しています。お客様は製造プロセスを
最適化し、市場投入までの期間短縮を実現するインターフェースを選択する事ができます。100%ピン配置互換性によって、プレ
スフィット技術は PCB へのはんだ実装から簡単にはんだフリーへの変換が可能です。
ケース端のピンは、非常にコンパクトなスペースで最も複雑な回路に合わせて、内部スペース内の配線を単純化します。最新 Si
と SiC チップ技術を組み合わせた低インダクタンスの設計手法と自在設計によって、様々なアプリケーションに於いて高度な要求
を実現し、カスタムソリューションを提供する為に、SEMITOP は適切なプラットフォームです。
高さは 12mm で同じ PCB 上での並列接続が可能ですので、アセンブリ全体の開発時間を削減し、市場投入までの時間を改善
します。
1.3
SEMITOP®ニュース: プレスフィットピンによる PCB へのはんだフリー実装
最近の市場動向、特に低・中電力の UPS およびソーラーアプリケーションで、PCB へのより簡単な組立てプロセスが可能なモジ
ュールのニーズが注目されています。
新 SEMITOP®プレスフィットの利点を以下に示します。
 はんだ装置不要
 作業時間減少
 モジュールとドライバーは常温に於いて 1 回の実装工程で組付け
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
迅速な組付け、およびパワーモジュールまたは PCB の再使用が可能
SEMITOP®プレスフィットは SEMITOP®はんだタイプと 100%互換性があり、以下の様な特性を有します。
 モジュール高さ 12ｍｍ
 はんだタイプと電気的、熱的特性が同じ
 既存の SEMITOP®の構造と同じピン配列、PCB パターン設計変更不要
 同じ確立された組立製造工程
 競合他社品は 2 個のクリップ使用に対し、ネジ 1 本によるモジュール組付けで組立時間を低減
 均一な圧接による高い熱的性能
 既存の SEMITOP®用ヒートシンクへの確立された組付け手順が同じ
SEMITOP®プレスフィットは SEMITOP®2、3、4 のケースに適用されます。目標市場は UPS、太陽光、モータドライブおよび溶
接機です。
図 1: SEMITOP®プレスフィットファミリー(左) 、1 回の PCB 実装概念(右)
SEMITOP®4
SEMITOP®3
SEMITOP®2
3 つのケースはセミクロンの標準認定プログラムに従って試験され、良好な結果を得てプラットフォームは量産段階へ移行してい
ます。
プレスフィットピン技術の詳細については、次章およびウェブの専用組付け方法を参照してください。
2
SEMITOP®製品詳細
SEMITOP®は 4 つのケースサイズ、3 つの製品ラインアップ、IGBT、ダイオード/サイリスタおよび MOSFET(低、高耐圧)で市
場に参入しています。はんだおよびプレスフィット端子は、あらゆる回路構成に対応しています。
SEMITOP®ファミリー全体は同一設計概念に基づいていて、同一生産ラインで製造されています。
SEMITOP®のプラットフォームは高さ 12mm で完全に互換性がある為、サイズが異なるケースを同一のアプリケーションに搭
載可能です。
2.1
機械的構造
SEMITOP®の構造は極めてシンプルです。チップはセラミック基板にはんだ付けされ、ボンディングワイヤーで端子に接続されま
す。ピンをはんだ付け後、DBC とケースを組付け、シリコンゲルを全面的に充填します。
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図 2: SEMITOP®機械的構造
ケース
チップ
はんだ付け端子
ボンディングワイヤー
2.1.1
DBC 基板
外形寸法公差
SEMITOP®ファミリーは、ISO 2768-m によって規定される寸法公差に従って設計されています。公差の値は標準寸法によっ
て決まります。規定の実用的な等級では標準寸法が大きい程、それに対応する公差は大きくなります。
異なる寸法区分に従った ISO 2768 m の公差値で、 SEMITOP®の寸法公差は以下の通りです。
表 1: SEMITOP®異なる寸法区分に従った公差
0.5 ～ 3 mm
±0.1
3 ～ 6 mm
±0.1
6 ～ 30 mm
±0.2
30 ～ 120 mm
±0.3
SEMITOP®データシートは全て上記の公差システムに従っています。
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図 3: SEMITOP®外形寸法例
2.2
製品ラインアップ
SEMITOP®はんだタイプとプレスフィットタイプは、ケースサイズおよび高さが同じで、PCB への組付けは完全に互換性がありま
す。
SEMITOP®ファミリーの外形寸法を以下に示します。
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表 2: SEMITOP®ケース外形寸法
ケースタイプ
寸法 mm
写真
(LxWxH)
SEMITOP®1
31 x 24 x 12
はんだ
プレスフィット
SEMITOP®2
40.5 x 28 x 12
SEMITOP®3
55 x 31 x 12
SEMITOP®4
60 x 55 x 12
SEMITOP®は設計構造が自在で、高性能チップが非常に小さい領域に搭載されています。チップの良好な転流動作の為のスイ
ッチング時の浮遊インダクタンスを減らす低インダクタンス設計手法によって、アプリケーションの高い性能が保証されます。
多くの回路構成、幅広いラインアップがあります。
 200A/600V-650V、100A/1200V までの 3 相インバータ
 100A/600V および 50A/1200V までの CIB
 150A/650V および 75A/1200V までの 3 レベルインバータ(NPC)の 1 相
 150A/1200V-100A/650V までの T タイプ 3 レベルインバータ(TNPC)
 300A までの MOSFET
 DC 出力電流 100A までの三相ブリッジ整流器
 他にも多くの構成が可能
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以下の図は、セミクロン製品ラインアップ(図 4)および SEMITOP 回路構成(図 5)中の位置付けを示しています。
図 4: セミクロン製品ラインアップ中の SEMITOP®の位置付け
図 5: 出力 55kW までの SEMITOP®回路構成
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低インダクタンスの設計手法と小型が、SEMITOP®を最新のチップ技術に基づいた構造を開発する為の適切なプラットフォーム
とし、新しくて難しい要求性能を実現します。
-
最新の Si チップ技術
 高速スイッッチング用 IGBT およびダイオード
 高耐圧 MOSFET(600V、650V)
図 6: SEMITOP®高速スイッチング技術によるソリューション
高速 IGBT
-
高速ダイオード
最新 SiC チップ技術
 650V および 1200V SiC ダイオード
 1200V SiC MOSFET
 SiC フリーホイールダイオード付き/なしフル SiC
 ハイブリッドソリューション
図 7: SiC チップ組合せおよび SEMITOP®SiC 回路構成
SK45MAHT12SCp
SEMITOP®3
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SK45MLET12SCP
SEMITOP®3
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2.3
チップ技術
SEMITOP®は自在なプラットフォームで、最新チップ技術が新しくて高性能な構造に対し、最高に近い特性を提供します。IGBT、
ダイオード、サイリスタおよび低耐圧 MOSFET といった Si チップ技術に加え、高耐圧 MOSFET やダイオード、MOSFET の最
新 SiC 技術も搭載が可能です。
種類が豊富なチップによってカスタマイズムレベルを高度化し、以下の技術マトリクスに示す SEMITOP®の供給が可能です。
表 3: 素子技術マトリクス
チップタイプ
技術
IGBT
Si
MOSFET
Si
MOSFET
SiC
ダイオード
Si
ダイオード
SiC
低耐圧
(40V ～ 200V)
√
600V
650V
1200V
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
整流ダイオードおよびサイリスタは Si 技術による製品で、定格電圧 1600V で主に整流用に使用されます。
現在、様々な内部構造技術に基づいた種々の IGBT 技術があります。セミクロンでは、これらの技術は専用形名で区分されてい
ます。
表 4: IGBT 技術マトリクス
高速
トレンチ 3
トレンチ 3 高速
トレンチ H5 タイプ
トレンチ 3 L5 タイプ
トレンチ 3 F5 タイプ
トレンチ 4
トレンチ 4 高速
600V
065
066
650V
07E3
07F3
07Q5
07L5
07F5
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1200V
125
126
12T4
12F4
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2.4
SEMITOP®形名付与法
表 5: SEMITOP®形名付与法
SK
50
GD
06
6
E
T
p
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(1) SK = セミクロン製品
(2) 定格電流 [A] = およその標準チップ電流
(3) 回路構成
(4) 定格電圧

サイリスタ/ダイオード: VRRM [V]/100

IGBT: VCE[V]/100

MOSFET: VDS[V]/10
(5) オプション: チップ世代

5 = 高速 NPT

6 = トレンチ 3 600V

E3 = トレンチ 3 650V

F3 = 高速トレンチ 3 650V

T4 = トレンチ 4

F4 = 高速トレンチ 4
(6)/(7)






オプション: 追加例
F : 高速ダイオード
T : 温度センサー
E : オープンエミッタ
I : 電流センサー
UF : 超高速ダイオード
SC : シリコンカーバイド
(8) p = プレスフィットタイプ
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3
チップ技術と最適動作周波数
最大許容電流、印加電圧および電力損失で素子の最大定格が決まります。長期寿命および信頼性を達成する為には、これらの
絶対最大定格を超えてはなりません。定格は使用材料、構造、設計、組立ておよび工程に依存します。従って、電気的特性と
様々な定格間の密接な相関関係で、以下の図に示した様にパワー半導体の電気的動作範囲が決まります。
図 8: パワー半導体の動作周波数範囲
一般的に I-V 定格が大きくなる程、接合温度が上昇し適用可能なスイッチング周波数は低くなります。
高周波/低出力のアプリケーションでは、MOSFET やトレンチゲート IGBT が、大電力/低周波のアプリケーションではサイリスタ
が中心になります。
IGBT は MOSFET の電圧制御性とバイポーラトランジスタの主要特長を兼ね備えています。
IGBT はパワーエレクトロニクス、特にパルス変調サーボや三相ドライブに於ける多くの用途に適しています。また、高周波スイッ
チングを必要とする UPS やその他の電力用途に使用されています。
パワーエレクトロニクス技術の急速な発展は、主として再生エネルギーや化石燃料システムの代替の使用に結び付く、省エネル
ギーの必要性が新たに高まる事によって推進されます。チップ技術開発の次の課題は主にスイッチング周波数の増大、損失の
低減、高い接合温度範囲です。開発方向は主として新しい半導体材料(SiC 素子、および将来、窒化ガリウム(GaN)素子の導
入)の研究、および高接合温度、チップサイズ縮小、内部構造の改善（スイッチングエネルギーと電圧降下のトレードオフに焦点を
絞った様々なチップ技術の改善）といったチップ技術の改善を目的としています。
上述の主な利点によって、SEMITOP®は初めて試験を実施し、最新のチップ技術を搭載した優れたプラットフォームです。その
為、現在様々なチップ技術が SEMITOP®に使用されています。その組合せで、ユーザーは最大性能のアップリケーションを実現
する事ができます。
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3.1
IGBT 特性
3.1.1
600V、650V IGBT
様々な 600V/650V IGBT チップ技術を SEMITOP®モジュールに搭載可能です。下表に主な IGBT のパラメータを示します。
表 6: 600V/650V IGBT 技術の比較
パラメータ/シリーズ
Si 技術
IC,nom [A]
定格電流に於ける相対
チップサイズ
最大動作 Tj [°C]
065
066
07E3
07F3
NPT
超高速
トレンチ 3
トレンチ 3
650V
トレンチ 3
高速 650V
30
30
30
100
60
125
150
VCE,sat @ 25°C,
2.10
1.50
IC,nom [V]
標準 Eon @ 25°C,
0.45
0.48
IC,nom [mJ]
標準 Eoff @ 25°C,
0.65
0.77
IC,nom [mJ]
正の温度係数
Yes
Yes
VCE,sat
ゲート充電電荷 [nC]
140
167
短絡耐量
Yes
Yes
*境界条件 : VCC=400V, RG=10
出典 : インターネットに掲載されているデータシート
07L5
トレンチストップ
5 高速 650V
低 VCE,sat
30
07Q5
トレンチストップ
5 超高速
650V
30
60
60
40
52
150
150
150
150
1.50
1.95
1.65
1.07
0.48
0.66
0.20
0.77
0.44
0.10
1.35
Yes
Yes
Yes
Yes
167
Yes
165
Yes
70
No
168
No
30
0.33
比較は技術動向を浮き彫りにします。それは電流密度の増大と高動作接合温度(125°C→150°C)を伴うサイズの縮小です。
以下の図は様々な IGBT の最新技術の位置付けを示しています。
図 9: 600V/650V IGBT 技術の位置付け
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様々な技術に於ける EOFF-VCE,sat トレードオフ曲線は、最新の高速 IGBT 技術が効率、フィルターおよびシステム体積の低減と
いったアプリケーションの性能改善を、いかにスイッチング損失と導通損失を同時に低減して実現するかを示しています。
トレンチストップ 5 技術は、スイッチング損失に関し確かな利点を有する高速トレンチ 3 よりもさらに一歩進んでいます。損失低
減に関する素子の性能改善は、スイッチングオフ時のスナッピー動作につながります。
本資料の発行時、トレンチストップ 5 IGBT 技術には、3 つの異なる技術が市場に存在しています。
 H5 タイプ (SK 呼称:Q5): 高速 3 IGBT ファミリーを補完します。低 RG 値、高 di/dt に於けるターンオフ時、ハードスイッ
チング中、その電圧上昇は非常にソフトです。
 F5 タイプ (SK 呼称: F5): 高性能ソリューションです。高効率を提供しますが、ドライブ条件に関し十分に設計する必要があ
ります。
 L5 タイプ (SK 呼称: L5): この最新ファミリーの特長は低導通損失です。
上述の特性に従って、上記 IGBT タイプの最適動作周波数範囲および主な目標市場を定める事ができます。
表 7: 600V/650V IGBT 技術の比較
技術
主要目標市場
-
066/07E3
UPS
太陽光
電源
モータドライブ
07F3
UPS
太陽光
電源
溶接機
-
07Q5
UPS
太陽光
スイッチング電源
溶接機
YES
YES
NO
最大 20kHZ
最大 100kHz
10-100kHz 高速
短絡耐量
周波数範囲
-
07L5
- UPS
- 太陽光
- 溶接機
NO
低 VCE,sat 最大
20kHz
ユーザーの境界条件およびアプリケーションの要件によって、適切な技術を選択します。本資料の発行時、065 および 066 技
術が使用されています。上述の新技術は SEMITOP®に搭載され、新規設計用に検討可能です。既存の 065 は新高速技術に
置換される為、上の表には掲載されていません。
3.1.2
1200V IGBT
様々な 1200V IGBT チップ技術を SEMITOP®モジュールに搭載可能です。下表に主な IGBT のパラメータを示します。
表 8: 1200V IGBT 技術の比較
パラメータ/シリーズ
Si 技術
IC,nom [A]
定格電流に於ける相対チ
ップサイズ
最大動作 Tj [°C]
VCE,sat @ 25°C and
IC,nom
標準 Eon @ 25°c and
IC,nom
標準 Eon @ 25°C and
IC,nom
正の温度係数 VCE,sat
ゲート充電電荷 [nC]
短絡耐量
125
NPT 超高速
126
トレンチ 3
12T4
トレンチ 4
12F4
トレンチ 4 高速
50
50
50
50
100
70%
62%
62%
125
125
150
150
3.20
1.70
1.85
2.05
5.70
3.00
5.70
2.52
2.20
4.00
2.80
1.70
Yes
600
Yes
Yes
470
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
1200V 技術の内部およびアプリケーションの性能改善に関する傾向は、600V/650V チップと同様です。プレーナゲート構造
(125 技術)からトレンチゲート構造への変更は、スイッチングおよび導通性能に関し大きな利益をもたらしました。次の表は
1200V トレンチゲート構造の技術の位置付けを示しています。
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図 10: 1200V IGBT トレンチ技術の位置付け
過去実施した改善に従って、最適動作周波数範囲を決める事ができます。
表 9: 1200V IGBT 技術の比較
技術
主要目標市場
短絡耐量
周波数範囲
126
- UPS
- 太陽光
- モータドライブ
YES
最大 20kHz
12T4
- UPS
- 太陽光
- モータドライブ
YES
最大 20kHz
12F4
- UPS
- 太陽光
- 溶接機
YES
30kHz 以上
ユーザーの境界条件およびアプリケーションの要件によって、適切な技術を選択します。本資料の発行時、全ての技術が使用さ
れています。
新 12F4 技術は SEMITOP®に搭載され、新規設計用に検討可能です。既存の 125 は新高速 12F4 技術に置換される為、上
の表には掲載されていません。
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3.2
MOSFET 特性
3.2.1
Si MOSFET
低耐圧および高耐圧タイプは SEMITOP®プラットフォームに搭載可能です。本資料の発行時、スーパージャンクション MOSFET
技術は 600V および 650V MOSFET が要求されるアプリケーションに適用されます。
現在の MOSFET ラインアップは以下の通りです。
表 10: MOSFET ラインアップ
定格電圧 [V]
rds,on [m], チップレベル, 25°C
技術
40
1.1
60
1.7
80
2.5
100
2.7
OptiMOS3
OptiMOS3
OptiMOS3
OptiMOS3
600
99
スーパージャンクション
– CP シリーズ
最近、インフィニオンはスーパージャンクション MOSFET C7 シリーズ、650V を開発しました。
認定された CP シリーズおよび新 C7 シリーズは新規設計用に検討可能です。主要目標市場は太陽光アプリケーションおよび溶
接機のブーストコンバータです。
3.2.2
SiC MOSFET
極端なスイッチングエネルギーの低減や高周波スイッチング動作といった、厳しい条件を求めるアプリケーションがあります。これ
は高効率変換や、主にフィルター、冷却、ファンおよびその他装置の縮小によって、システムレベルの体積を低減するニーズによ
るものです。
SiC MOSFET はいくつかの利点によって、これらの厳しい条件を満たす適切な技術です。
 0 に近いスイッチング損失
 温度依存性が非常に低いスイッチング損失
最先端 SiC MOSFET は 1200V 級が主で、現在 SEMITOP®には 2 つの回路構成があります。
表 11: SiC MOSFET ラインアップ
回路構成
モジュール型名
ケース
定格
SK45MAHT12SCp
SEMITOP3
Press-Fit
-1200V/45m
SiC MOSFET
-1200V/50A SiC
Schottky diode
SK45MLET12SCp
SEMITOP3
Press-Fit
-1200V/45m
SiC MOSFET
SiC MOSFET の詳細については以下を参照してください。
 “Silicon Carbide presentation”, 03-07-2015, Semikron presentation:
http://www.skd.semikron.com/cps/rde/xchg/intranet_eng/hs.xsl/products_ps_sic.htm
 モジュールのデータシートはウェブにあります。
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3.3
逆およびフリーホイールダイオード
3.3.1
SEMIKRON CAL ダイオード
SEMITOP®に使用されるフリーホイールダイオードは、主にセミクロンの CAL(Controlled Axial Lifetime)ダイオードまたは
HD CAL(High Density CAL)ダイオードです。このファースト、超ソフトプレーナダイオードは、荷電キャリア寿命の最適軸方向
プロファイルが特徴で、ヘリウムイオンの注入と基本的な荷電キャリア寿命の設定によって達成されます。
主な利点は以下の通りです。
 ピーク逆回復電流が低く、従って突入負荷電流が低い
 全動作温度範囲に亘り逆電流の減少がソフト
 高 di/dt スイッチング時の耐久性が優れている
 無視できる程の負の温度係数、および順電圧 VF のバラツキが小さい為、並列接続が可能
新 CAL4 ダイオードシリーズは、新 650V IGBT シリーズおよび 1200V IGBT4 シリーズ向けに特別に設計されました。この新
CAL ダイオードシリーズは最大 175°C の安全動作が保証されています。
セミクロン CAL ダイオードはアプリケーションの境界条件によりますが、最大周波数 20kHz のスイッチング動作が可能です。
3.3.2
高速ダイオード
より高い周波数や逆回復特性の改善を必要とするアプリケーションが存在します。この場合、超高速高耐圧シリコンダイオードま
たは SiC ダイオードが必要です。

超高速シリコンダイオード: インフィニオンから発表された極薄ウェハ技術をベースにした新 RAPID1 ファミリーは、スイッチ
ング周波数 20kHz－40kHz (アプリケーションの動作条件による)向け SEMITOP®に搭載する有効なオプションです。
ダイオードの主な利点
1. 非常に低い導通損失
2. 低いピーク逆回復電流
3. 速い逆回復時間
4. 高いソフトネスファクター
RAPID1 は主として低導通損失の為に順電圧降下を最適化、設計されています。現在、650V 級のみがあります。
目標市場は UPS、太陽光インバータおよび溶接機で、特に PFC 回路や 3 レベルインバータ（中点クランプダイオード用）に搭載
され、また通常、H3/650V または H5/650V IGBT と対になります。

SiC ダイオード: ユニポーラ素子で、1 種類のみの荷電キャリアの働きで電流が流れます。ダイオードがターンオフ時、蓄積
電荷としての過剰キャリアが出現しないので、逆回復電流またはテール電流がほとんど存在しません。
このダイオードは極端に減少した IGBT の Eon によって、スイッチング損失が最小で、非常に高いスイッチング周波数に最適化さ
れている事が特徴です。素子の最大定格接合温度は 175°C で、熱伝導率が非常に高い為、熱抵抗が低くなります。チップサイ
ズは非常に小さく、モジュールは小型になります。
最先端技術が 650V および 1200V 級のダイオードを提供します。
主な目標市場およびアプリケーションを以下の表に示します。
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表 12: 主要 SiC 市場および課題
再生エネルギー
太陽光
市場
課題
- fsw 増大
- 受動フィルター部品
削減
- 効率増大
高周波電源
高スイチング周波数
UPS
モータドライブ
- 損失低減
- 冷却装置縮小
- 小型、軽量化
- fsw 増大
- 受動フィルター部品
削減
- 効率増大
SiC ダイオードは IGBT と逆並列ダイオードとして対になります。この構成はハイブリッドソリューション、また SiC MOSFET との
構成はフル SiC ソリューションと呼ばれます。
SiC ダイオードに関する詳細は“Silicon Carbide presentation”, 03-07-2015, Semikron presentation:
http://www.skd.semikron.com/cps/rde/xchg/intranet_eng/hs.xsl/products_ps_sic.htm
および関連製品のデータシートを参照してください。
3.4
3.4.1
チップの動作領域
IGBT のターンオンおよび単発パルス動作に対する安全動作領域(SOA)
安全動作領域はスイッチングオン時、チップが破壊しないで動作可能な電圧、電流条件として定義されます。この特性曲線はデ
ータシートには掲載されていませんが、ご要求に応じ提出致します。
SOA 特性曲線は単発パルス、素子の接合温度に於ける、コレクタ・エミッタ間電圧に対する、コレクタ電流の依存性を示すグラフ
です。安全動作領域は特性曲線で囲まれた領域です。SOA 曲線は以下のパラメータによって制限されます。
最大コレクタ電流(横軸限界)
最大コレクタ・エミッタ間電圧(縦軸限界)
以下にモジュール SK50GD066Etp の SOA 特性曲線の例を示します。
図 11: IGBT 安全動作領域(SOA)
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3.4.2
IGBT の繰り返しターンオフに対する逆バイアス安全動作領域(RBSOA)
逆バイアス安全動作領域はターンオフ時の SOA 曲線です。この特性曲線もデータシートには掲載されていませんが、ご要求に
応じ提出致します。
ターンオフ時、最大 VCES を超えてはなりません。内部の浮遊インダクタンスによって、コレクタ・エミッタ間端子電圧はチップレベル
のコレクタ・エミッタ間電圧より低くなります。これによって、チップレベルの曲線の右上の角がカットされています。.
以下にモジュール SK50GD066Etp の RBSOA 特性曲線の例を示します。
図 12: IGBT 逆バイアス安全動作領域(RBSOA)
Tj ≤ 150°C
VGE = -7/+15 V
IC,nom = 50A
Ts = 25°C
tp ≤ 1 ms
RG=16
IC モジュール
IC チップ
3.4.3
IGBT の非繰り返し短絡ターンオフに対する短絡安全動作領域(SCSOA)
これは短絡条件に於ける SOA 曲線です。図は短絡時、安全に制御できる限界を示しています。この特性曲線はデータシートに
は掲載されていませんが、ご要求に応じ提出致します。
図はモジュール SK50GD066Etp の SCSOA 特性曲線を示しています。
図 13: IGBT 短絡安全動作領域(SCSOA)
IC,nom = 50A
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短絡ターンオフ時、高い短絡電流が転流回路の寄生インダクタンスに電圧を生じさせます。この電圧は VCES を超えてはなりませ
ん。IGBT チップの損失を制限する為、短絡ターンオフは以下の条件が付きます。
短絡を検出後、10μs 以内に IGBT をターンオフ(600V/650V IGBT は最大 6μs)
2 回の短絡の間隔は 1 秒以上
IGBT の耐用期間中、短絡の発生回数は 1000 回以下
短絡発生前の最大チップ温度は 150°C 以下
最大電圧 VCC は減少
一般的な–dic/dt 最大定格はドライバーパラメータで制御
必要に応じ短絡ターンオフ時、クランプによるゲート・エミッタ間電圧増加の阻止
3.4.4
MOSFET の単発パルス動作に対する安全動作領域(SOA)
MOSFET はハードスイッチング時、VDD と ID 間は矩形に近い特性 iD=f(v)を示します。図は破壊の危険性がなく、様々な動作
状態で実現し得る範囲を示しています
IGBT の特性曲線に対する全ての制限は MOSFET に対しても適用されます。
この特性曲線はデータシートには掲載されていませんが、ご要求に応じ提出致します。
図 14: MOSFET 安全動作領域(SOA)
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3.4.5
CAL ダイオードのサージ電流特性
CAL ダイオードが 4 象限コンバータで整流ダイオードとして動作する場合、時間 t および VR/VRRM の比率に対するサージオン電
流 IFSM と許容過電流との比率を知っておく必要があります。VR は正弦半波間に印加される逆電圧を示します。VRRM はピーク逆
電圧です。
図 15: ダイオードの時間に対するサージ過電流
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4
SEMITOP®技術
SEMITOP® モジュールはセラミック基板、薄い銅箔を張り付けた酸化アルミ(Al2O3)または窒化アルミ(AlN)に直接、チップ
(IGBT、MOSFET、サイリスタ、SiC ダイオードおよび MOSFET)とパワー端子が、はんだ付けされています。
セラミック基板は、熱伝導材(サーマルグリース)のみを使用して直接、ヒートシンクに組付けます。モジュール－ヒートシンク間の
接触面の空隙は、全てこのシリコン材によって満たされなければなりません。
SEMITOP®モジュールでは、SKiiP®技術の基本が適用されています。ケースは、セラミック基板がヒートシンクに均等に組付け
られ、モジュール－ヒートシンク間で均一に放熱される様に組付ける事ができます。
SEMITOP®のプラスチックケースは、ネジ 1 本で基板の表面を均等に圧接する事ができます。
図 16: SEMITOP®の構造と SKiiP 技術概念
SkiiP 技術概念の適用で、以下の特長を実現しています。
 ベースプレートなしで、セラミック基板(DBC)－ヒートシンク間の圧力を分散
 ボンディング接続に対するストレスなし
 CTE(熱膨張率)が異なる材料間の広い固定接続領域なし
 異なる材料は圧接によって接触
 機械的ストレスは構造自身によって吸収
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4.1
ベースプレートレス基本技術
SEMITOP®はベースプレート無しのパワーモジュールで、DCB 基板上にチップが配置されています。この DCB 基板表面の銅
箔にチップが接続され、セラミック層は絶縁を確保し、裏面の銅箔はサーマルグリース層を通してヒートシンクと接触します。
ベースプレート付モジュールは、銅ベースプレートにはんだ付けした DCB 基板とチップを特徴としています。組付けによって、サ
ーマルグリース層を通してヒートシンクに接触します。
以下の図に 2 つのモジュールの熱抵抗の経路の違いを示します。
図 17: ベースプレート付き、無しモジュールの熱抵抗の経路
𝑅𝑡ℎ,𝑗−𝑠 = 𝑅𝑡ℎ,𝑗−𝑐 + 𝑅𝑡ℎ,𝑐−𝑠
ベースプレート無しモジュールでは、直接チップ接合－ヒートシンク間(Rth,j-s)の熱経路となります。ベースプレート付きモジュール
では、接合－ケース間(Rth,j-c)、およびケース－ヒートシンク間(Rth,c-s)の 2 つの熱経路を考慮する必要があります。
従って、SEMITOP®モジュールの最大許容 DC 電流特性はヒートシンク温度を基準としています。
SEMITOP®とベースプレート付きモジュールを比較する場合、評価を誤らない様に注意する必要があります。
例として、50A 三相インバータで SEMITOP®と競合品のシミュレーションを行いました。
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表 13: IGBT 特性比較
モジュール
高さ
[mm]
モジュール
SEMITOP*
12
No baseplate
Competitor A*
12
No baseplate
Competitor B*
12
No baseplate
IC [A] at Tj,max
and TS=25°C
60
IC [A] at
Tj,max and
TS=70°C
IC [A] at
Tj,max and
TC=25°C
50(1)
70(2)
45(3)
Rth,j-s
[K/W]
Typical
VCE,sat [V] at
IC,nom and
Tj=150°C
1,11
1,65
1,46
1,70
1,25
1,75
*Source: datasheet available in the web
(1): ヒートシンクを基準とした電流
(2): データシートのケース温度を基準とした電流
(3): ヒートシンクを基準とした電流、但し 80°C
正しく特性を比較する為に、同一基準点に於ける電流値の計算が必要です。同一ヒートシンクの基準点に於ける電流値を計算す
る事によって、IGBT 特性は以下の表の様になります。
表 14: 同一基準点に於ける IGBT 特性比較
モジュール高さ [mm]
IC [A] at Tj,max and TS=25°C
IC [A] at Tj,max and TS=70°C
Rth,j-s [K/W]
SEMITOP*
12
60
50
1,11*
競合 A*社
12
50
40
1,46*
競合 B*社
12
54
44
1,25*
*出典: ウェブサイトデータシート
SEMITOP®は熱抵抗 Rth,j-s が最も低く、同一基準点に於いて優れた熱的および電気的性能を有します。熱抵抗は最大接合温
度、および最大出力に影響を与えます。
以下の図は同一スイッチング条件に於ける最大出力対スイッチング周波数を示しています。
図 18: スイッチング周波数に対する最大出力
SEMITOP®では広い周波数範囲に亘り、出力が 5-20%高くなります。
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4.2
材料データ
熱シミュレーションには、パッケージ内の各層の厚みと材料パラメータが必要です。
図 19 および表 15 にパッケージの様々な層を示します。
図 19: SEMITOP®パッケージ(断面図)
表 15: SEMITOP®パッケージ材料データ
材料
厚み
[mm]
熱伝導率 
[W/(mK)]
熱膨張率 (CTE)
 [10-6 K]
IGBT チップ (“066”)
Si
0.070
148
4.1
IGBT チップ (“07F3”)
Si
0.070
148
4.1
IGBT チップ (“126”)
Si
0.120
148
4.1
IGBT チップ (“12T4”)
Si
0.115
148
4.1
IGBT チップ (“12F4”)
Si
0.115
148
4.1
ダイオードチップ
Si
0.240
148
4.1
高速ダイオードチップ
Si
0.050
148
4.1
ショットキーダイオード
SiC
0.235
370
4.0
MOSFET
Si
0.175
148
4.1
MOSFET (“060”)
Si
0.175
148
4.1
MOSFET (“120”)
SiC
0.330
370
4.0
SnAg alloy
0.115
70
15-30
Cu
0.30*
394
17.5
Al2O3
0.63*
24
8.3
Cu
0.30*
394
17.5
層
チップはんだ
DCB 銅
DCB セラミック
DCB 銅
サーマルペースト
ユーザー固有
ヒートシンク
ユーザー固有
* SEMITOP®1,2,3 に適用.
*セラミック厚み SEMITOP®4: 0.2/0.38/0.3 mm、SEMITOP®4 プレスフィット: 0.4/0.5/0.4
上表は限られた材料が SEMTOP®内に使用され、またこれらの材料の CTE 値が類似している事を示しています。
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以下の図は SEMITOP®の材料とベースプレート(モジュールまたはディスクリート)の内側に使用されている材料の CTE の比較
を示しています。棒の長さは CTE 値を表しています。長さの大きな差はかなりのストレスを意味します。これによって、主な優位
性が明らかになります。
 熱的、機械的ストレスの低減。CTE の大きな差は温度変化がある場合、接続の経年変化が生じる機械的ストレスにつながり
ます
 層間剥離および市場不具合のリスクの低減
 組付けの高い信頼性
 優れたサーマルサイクル性能
図 20: 各種パワーモジュールの CTE の比較
4.3
熱抵抗 Rth の定義と測定
静的及び動的負荷条件に於ける最大接合温度 Tj は、パワーシステムの寿命に関する重要な要素で、パワーシステムのレイアウ
ト上、非常に重要です。
SEMITOP®の圧接技術は、DCB 基板を熱的にヒートシンクに接続します。モジュールのベース面に届くまで、ヒートシンクに穴を
あけても、直接ケース温度 Tc を測定する事はできません。従って、接合－ヒートシンク間の熱抵抗 Rth,j-s のみが測定可能です。
熱抵抗 Rth,j-s は印加した電力損失と温度差によって、以下の式で表せます。
式 1: 印加した電力損失と温度差に対する Rth,j-s
𝑅𝑡ℎ,𝑗−𝑠 =
𝑇𝑗 − 𝑇𝑠
𝑃
Tj= 接合温度 [°C]
Ts= ヒートシンク温度 [°C]
P = 印加した電力損失 [W]
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4.3.1
測定の設定
以下の図に熱抵抗測定の仕組みを示します。
図 21: 熱抵抗 Rth 測定の仕組みの設定
基準点Ts は、モジュール直下2mmのヒートシンクの温度です。2mmという距離は、ヒートシンクのパラメータ(大きさ、熱伝導率
等)による寄生効果を最小にし、熱電対による外乱は無視できます。
ヒートシンクのチップ直下に、ドリルでモジュールのDCB基板の下2mmの位置まで穴をあけます(穴の直径はØ 2.5mm)。基準
点Ts 測定用の熱電対をこの穴に挿入します。.
この測定方法はDCBのレイアウトに依存せず、同じチップサイズ、パッケージ構造であれば、熱抵抗値は一定です。
4.3.2
Rth の測定原理
ベースプレート無しのモジュールでは、ベースプレートが存在しないので、熱抵抗 Rth(j-c)と Rth(c-s)を別々に測定する事は不可能
です。接合温度 Tj より熱抵抗 Rth(j-s)を求めます。
バイポーラ半導体素子では、小さい測定電流の動作に於ける順電圧降下は接合温度に対し、線形依存性を示します。この物理
的特性を利用します。
モジュールに一定の負荷電流を 60 秒間、熱的に平衡になるまで流します。熱的に平衡になった後、負荷電流をスイッチオフし、
モジュールに 100mA の小さい電流を流します
4.3.3
過渡熱インピーダンス Zth
過渡熱インピーダンスは、接合温度上昇を一定の損失に関連付けます。
一定の損失をチップに印加し、ヒートシンク温度を一定に保ち、時間に対する接合温度の変化を測定します。式1に従って、定常
状態の値Rth,j-sに達するまでの時間の熱抵抗を測定する事ができます。
シリコンチップ、DCB及びヒートシンクからなる特定の多層構造に対し、熱挙動は電気回路(カウアーネットワーク)を用いてモデ
ル化する事ができます。
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図 22: 多層構造と熱等価回路カウアーネットワーク
このネットワークは熱的に関連する層の実際の物理的モデルを表しています。2 つのパラメータ、熱抵抗および熱容量を用いて
示されています。
式 2: 熱抵抗および熱容量の式
𝑅𝑡ℎ,𝑖 =
𝑑
𝜆∙𝐴
[k/W]
(d = 材料の厚み,  = 熱伝導率, A = 熱流面積)
𝐶𝑡ℎ,𝑖 = 𝑠 ∙ 𝑉
[J/K]
(s = 蓄熱特性, V= 体積 )
測定に基づいて、カウアーネットワークの熱的等価数式モデルが導き出され(式3)、またフォスターネットワークモデルによって表
されます。
式 3: フォスターネットワークの一般式 Zth
𝑛
𝑍𝑡ℎ,𝑗−𝑠 = ∑ 𝑅𝑡ℎ,𝑖 ⋅ (1 − 𝑒
−
𝑡
𝜏𝑖 )
𝑖=1
n = RC ネットワークの数
通常、パラメータ 4 個のネットワークモデルが使用される為、“n”は最大 4 になります。
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図 23: フォスターネットワーク
以下の図に、式3を使用して得られたSK50GD066ETp内のIGBTおよびダイオードの過渡熱プロファイル例を示します。
図 24: 熱インピーダンスプロファイル例
SEMITOP®モジュールの熱インピーダンスプロファイルは、ご要求に応じ提出致します。
4.4
内蔵温度センサー
SEMITOP®パワーモジュールは、NTC(負の温度係数)または PTC(正の温度係数)の温度センサーを内蔵しています。温度セ
ンサーのタイプに関する詳細な情報はモジュールのデータシートを参照してください。
温度センサーは実際のヒートシンク温度を示す温度依存抵抗です。
4.4.1
電気的特性(NTC)
標準温度センサー“KG3B”は負の温度係数特性を示し、25°C に於ける標準抵抗値は 5 kΩ±5%です。
NTC センサーの温度依存抵抗は以下の式で表されます。
式 4: NTC 一般式
𝑅2 = 𝑅1 ⋅ 𝑒
[𝐵∙(
1 1
− )]
𝑇2 𝑇1
R2 : 絶対温度 T2 [K]に於ける抵抗
R1 : 絶対温度 T1 [K] に於ける抵抗
B : B 値 [K] (B25/85 = 3420 K)
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標準 NTC の特性を図に示します。
図 25: 標準 NTC センサーの特性
4.4.2
電気的特性(PTC)
正の温度係数を有する標準温度センサー“SKCS2 Temp 100B”の 25°C に於ける標準抵抗値は 1 kΩ±5%です。
PTC センサーの温度依存抵抗は以下の式で表されます。
式 5: PTC 一般式
𝑅(𝑇) = 1000 ∙ [1 + 𝐴 ∙ (𝑇 − 25) + 𝐵 ∙ (𝑇 − 25)2 ]
A : 7.635∙10-3 [°C-1]
B : 1.731∙10-5 [°C-2]
標準 PTC の特性を図に示します。
図 26: 標準 PTC センサーの特性
セミクロンは測定電流の範囲として、1mA≤IM≤3mAを推奨します。
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保護ネットワークを追加してトリップレベルを実現する場合、標準的に横方向に熱が広がるヒートシンクに基づいて、トリップ温度
は約115°C (空冷)を推奨します。
4.4.3
電気的絶縁
温度センサはSEMITOP®内の同一DCB 基板上のIGBT、ダイオードのチップ近傍に実装されています。銅パターン間の最小距
離は0.71mm です。
図 27: DCB 基板上の温度センサーの位置
絶縁の目的でモジュール内にシリコンゲルが充填されているので、絶縁耐圧の規格値 (AC/2.5kV/1 min、AC/3kV/1s、
50Hz)を満たしています。また、全数絶縁試験を実施しています。
短絡発生時、その電気エネルギーによってボンディングワイヤが溶断し、高エネルギーのプラズマを伴ったアークが発生する可
能性があります。この場合、プラズマ膨張の方向は予測できないので、温度センサーがプラズマに触れ、高電位になる可能性が
あります。
EN 50178に準じた安全等級、「安全な電気的絶縁」は、詳細に記述された別の手段を追加する事によって達成されます。
図 28: ボンドワイヤ溶断によって生ずる高エネルギープラズマの図
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5
組付け方法
SEMITOP®が最高の性能を発揮できる様に、以下の仕様を満たす必要があります。
5.1
ヒートシンク仕様
最大の熱伝導を得る為にモジュールの組付け面は、油やゴミなどが付着していない状態にしてください。
ヒートシンクの機械的仕様は以下の通りです
 ヒートシンクの組付け面の平面度 100mm に対し≤50µm (DIN EN ISO 1101)
 粗さ “Rz” ≤6,3µm (DIN EN ISO 4287)
 段差がない事
 重複した機械加工がない事
ヒートシンクの表面は、例えば油脂溶解溶剤で油を取り除き、きれいな状態にします。DIN 53364 に適切な指示があります。表
面張力≥32N/m。タップ穴に削りくずがないヒートシンクを使用します。ヒートシンクメーカーは適切な包装を選択し、輸送中の汚
れや機械的損傷を防止しなければなりません。
図 29: ヒートシンク仕様
5.2
組付け面
SEMITOP®モジュールの組付け面は油やゴミなどが付着していない状態にします。底面の指紋は放熱に影響しません。
製造プロセスの為、SEMITOPの底面にかすり傷、穴や類似の痕跡がある可能性があります。底面の変色は放熱に影響しませ
ん。
放熱に影響しない最大許容かすり傷を以下に示します。
図 30: SEMITOP®モジュールのかすり傷
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製造時に見られる酸化は、ユーザーの検査時に見られるものとかなり異なり、注意する必要があります。それは輸送中の環境条
件、湿気とまたは汚れおよびユーザーの倉庫に於ける保管によって増加する可能性がある為です。
以下の表は銅の外観が変化する可能性を示し、またユーザー側の受入れ検査による、外観に関する許容を検討する為の基準を
提供します。
受入れ基準は、モジュールの特性(Rth,j-s) および機能性(静的、動的および信頼性パラメータを含む)の社内に於ける測定に基
づいています。それは、外観問題はモジュールの性能に影響しない事を証明しています。
試験結果は、ご要求に応じ提出致します。
表 16: 外観問題の受入れ
外観問題
図
かすり傷: 規定の大きさ(深さ < 300m, 幅 < 600 m, 粗さ < 10
m)以内かどうか SKI(SEMIKRON Italy)の品質検査でチェックしま
す。
粗さはかすり傷の先端の最大高さを表します。
かすり傷はいくつでも許容されます。かすり傷は銅の中になければなりま
せん。
上述した規定以内のモジュールのみが出荷されます。
はんだ工程で使用されるフラックスによる酸化、フラックスの残留なし
ピンのはんだ工程中の熱による酸化
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変色した小さい点、変色点の数の制限はありません
最終工程に於ける外部の汚れを伴わない銅の変色
表面全体の銅の暗い変色
銅表面を磨いた補修作業を示し、セミクロンの作業指示書では許容され
ます (全てのユーザーに容認されています)
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5.3
5.3.1
組付け手順
はんだ端子 SEMITOP®
SEMITOP®モジュールを組み立てる方法として、モジュールをPCB基板にはんだ付け後、PCB+SEMITOP®をヒートシンクに固
定する方法(図31、左)と、SEMITOP®をヒートシンクに組付け後、PCBにはんだ付けする方法があります。(図31、右)
図 31: PCB 基板への組付けおよびヒートシンクへの組付け
SEMITOP®モジュールへのダメージを避ける為に、サーマルグリースの塗布、はんだ付け工程およびヒートシンクへの組付けと
いった主要な組付け手順に於いて、考慮すべき重要な作業条件があります。
図 32: はんだ端子 SEMITOP®モジュールの組付け手順
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5.3.2
プレスフィットピン SEMITOP®
PCB 基板を圧入してモジュールに固定し、ヒートシンク表面を整えて推奨された厚みのサーマルグリースをヒートシンクに刷り込
みます。その後、全体(モジュール+PCB)をヒーシンクに固定します。
図 33: プレスフィットピン SEMITOP®モジュールの組付け手順
5.3.3
組付け工程概要
以下に SEMITOP®の 2 つの組付け工程の比較を示します。
表 17: 組付け工程概要
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5.4
サーマルグリース塗布
モジュール、ヒートシンク間の隙間をなくす為にサーマルグリースを塗布します。
グリースは金属間の接触面の形状に沿って広がり、金属間に残っている隙間を埋めます。
標準サーマルグリースまたは塗布済みサーマルペーストの使用によって、金属間の接触が確保されます。
5.4.1
標準サーマルグリース仕様
サーマルグリースはワッカーのP12を推奨します。セミクロンはグリースの均一な塗布の為に、硬質ゴムローラーやスクリーン印
刷を推奨します。
表18 にグリースの推奨平均厚みを示します。
表 18: SEMITOP®モジュール用グリースの推奨平均厚み
モジュール
SEMITOP®1
SEMITOP®2
SEMITOP®3
SEMITOP®4
サーマルグリース厚み
(ワッカー P12)
20 – 25 m
30 – 35 m
50 – 55 m
40 – 45 m
セミクロンは上記の条件で、SEMITOP®パワーモジュールを確認しています。推奨条件とは異なり、信頼性や技術的性能に影響
を与える可能性がある独自のペースト印刷については、ユーザーの責任で確認してください。
サーマルペーストの厚みは、以下の ELCOMETER (Elcometer Instruments GmbH, Ulmer Strasse 68, 73431
Aalen, Tel. +49-7361-528060: Sechseck-Kamm 5-150m) のゲージを使用してチェックできます。
図 34: ELCOMETER 測定ゲージ
5.4.2
塗布済みサーマルペースト仕様
現在、モジュールの組付け工程を簡素化するサーマルペスト塗布済み SEMITOP®があります。セミクロンによってモジュール出
荷前にサーマルペーストが塗布され、ユーザーの製造工程に於ける重要工程が省かれます。これによって、組付けは高効率、再
現性があり管理が可能になります。
主な利点
 サーマルペーストの最適厚みによる低熱抵抗
 自動、モニタースクリーン印刷工程による高い工程信頼性
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図 35: サーマルペースト塗布済み SEMITOP®
SEMIKRON は、以下に示した厚みのワッカーP12 (シリコンベース)サーマルペース塗布済み SEMITOP®パワーモジュールを
提供します。この厚みは特別に設計されたパターンによる、専用の刷り込み工程で得られます。
表 19: 特別パターンによる塗布済みサーマルグリース厚み
モジュール
SEMITOP®2
SEMITOP®3
SEMITOP®4
塗布済みワッカーP12 厚み
22 - 36 m
40 - 54 m
25 - 37 m
塗布済みサーマルペーストの保存条件を以下に示します。
表 20: 塗布済みサーマルペースト保存条件
tstg
Tstg
RTstg
5.5
保存期間
保存温度
保存湿度
最大 18 ヵ月
-25°C … +60°C
10% … 95%
ヒートシンクへの組付け
SEMITOP®をヒートシンクに置き、該当する締付けトルクでネジを締めてください。
表 21: SEMITOP®の締付けパラメータ
モジュール
SEMITOP®1
SEMITOP®2
SEMITOP®2 プレスフィット
SEMITOP®3
SEMITOP®3 プレスフィット
SEMITOP®4
SEMITOP®4 プレスフィット
ネジ
ワッシャー
締付けトルク
DIN 912-M-4x16
DIN 6798 Form A + DIN 125
1,5 Nm +0/-10%
DIN 912-M-4x16
DIN 6798 Form A + DIN 125
2,0 Nm +0/-10%
DIN 912-M-4x16
DIN 6798 Form A + DIN 125
2,5 Nm +0/-10%
DIN 912-M-4x16
DIN 6798 Form A + DIN 7349
2,6 Nm +/-5%
SEMIKRONは以下を推奨します。
 自動制御のトルクレンチ。空気動力工具よりも、電動ドライバーを推奨します。規定のネジのパラメータを調整しやすく、特に
よりスムーズに最終トルクに達します。サーマルペーストが均等に広がる様に、ネジ締め速度を制限してください。ネジ締め速
度が速い場合、サーマルペーストが広がる速度に追いつかず、不均一な表面になり、セラミックにクラックが生じる可能性が
あります。ワッカーP12を使用した場合、最大ネジ締め速度は250rpmを超えてはなりません。ソフトストップ(オーバーシュー
トなし)は、ストレスをさらに減らす望ましい機能です。
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 上記の推奨ネジおよびワッシャ
 ネジ締めは一度だけにしてください。規定トルクへの再締付けはしないでください。サーマルペーストがなじんで落ち着くので
緩みトルクが生じますが、パッケージの構造、ワッシャーおよびサーマルペーストの粘着性によって、ヒートシンクへ十分に放
熱されます
 規定の最大トルクを超えて締付けないでください。増し締めによって放熱効果が改善されるわけではなく、モジュール破損の
原因になりかねません
5.6
5.6.1
SEMITOP®と PCB の整合
はんだ端子 SEMITOP®
PCB基板とSEMITOP®の接続時、SEMITOP®の四隅にあるプラスチックのアンカーピンを使用してください。はんだピンへの機
械的ストレスを避ける為に、PCB基板をさらに他の手段でも支えてください(例：スペーサ)。
はんだピンおよび取付けピン用のPCB基板の穴径は2mmとしてください。
1枚のPCB基板に実装するSEMITOP®モジュールの数量の制限はありません。多くの応用例(図36参照)で多くのSEMITOP®
モジュールを同じPCB基板に実装した実績があります。
図 36: SEMITOP®モジュールを多数、1 枚の PCB 基板に実装した例
5.6.1.1 PCB へのはんだ付け
SEMITOP®モジュールは、一般的なハンダ付けプロセスを適用できます。
 手はんだ
 フローハンダ
 部分噴流ハンダ
ハンダ付けプロセスに関わらず、SEMITOP®モジュールとPCB基板間のハンダ接合が適切な状態であるか、確認する事を推奨
します。
図37は良好なはんだ接合の例で、ピンとパッド間はんだの形状が凹形になっています。これは適切に凹形が形成された例であり、
はんだ付け時の良好なはんだ濡れ性の結果です。
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図 37: はんだ接合の良い例
図37、図38 は、共に端子ピンとパッド表面のハンダ状態は良好です。これは良好なハンダ濡れ性の証拠です。
ハンダ接合部は銀色で滑らかな表面をしています。これははんだ付け前のPCBがきれいであり、はんだ凝固時にハンダ接合部
が固定されていた事によるものです。手法(手はんだ, フロー(噴流)はんだ)にかかわらず、望ましいはんだ接合は上記の特長を
示す状態です。
図 38: 詳細
確実なはんだ接合に必要な時間は、下記パラメータに依存します。:

PCB基板の厚み: PCB基板厚が増すと、PCB自体の放熱容量が高くなり、より長いはんだ付け時間を必要とします。

銅パターン領域: ピンは電流通電時に発生する損失を小さくする為に、より広い銅パターンを必要とします。銅の熱伝達係
数は高いので、PCB基板の銅パターンの大きさはハンダ付け時間に直接影響します。

手はんだ時のパワー: はんだ付け時間は、はんだごてのパワー、はんだごての先端(こて先)のサイズおよび温度によりま
す。最大温度を規定温度以下に保つ様に調整してください。

鉛フリーはんだアロイタイプ: Snの含有量は、はんだ付け時間および温度に影響を与える重要な要素です。通常、使用され
る鉛フリーアロイはSn96.5、Ag3、Cu0,5またはSn99、Cu0,7です。
高品質のハンダ接合がなされているか確認する事を推奨します。必要に応じて、工程を最適化する為にパラメータを調整してくだ
さい。
A) 手はんだ
特に数個の端子をはんだ付けする場合、最大温度260°C、はんだ付け時間10秒を超えない様にしてください(CEI-EN 600682-20)。
B) フローはんだプロファイル
以下を推奨します。

図39の最大フローはんだプロファイルを超えないでください。
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


最大予熱温度は、最大保存温度(125°C)以下に保ってください。
最大予熱温度は100 秒以内にしてください。
はんだ付け時、最大温度245°C±5°Cでのハンダ付け時間は10秒以内にしてください。
図 39: フローはんだプロファイル
SEMITOP®モジュールは、適切なはんだ工程に於いてはんだ付けされます。上記の最大のはんだ付け条件の範囲で実施する
事が重要です。
5.6.2
PCB とプレスフィットピンの接続
機能が適切かを確認する為に、PCB のメッキしたスルーホール(PTH)に関する要件を、国際標準 IEC 60352-5S に従って満
たす必要があります。セミクロンは、これらの値に従って全ての認定試験を行いました。認定試験は標準 FR4 PCB と浸漬スズ
(I-Sn)について行いました。
以下の表は浸漬スズメッキの PTH 仕様を示しています。
表 22: I-Sn PTH 仕様
最小
推奨ドリルサイズ
ドリル穴直径
銅厚み
スズメッキ
最終穴直径
環状リング
PCB 基板厚み
1.575mm
25m
>0.5m
1.39mm
100m
1.6mm
標準
1.6mm
1.6mm
最大
1.625mm
1.45mm
1.54mm
制限なし
他のメッキについては、ご要求に応じ試験を行います。
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プレスフィットピンを直接 PCB にはんだ付けする場合の、浸漬スズメッキの PTH 仕様を以下の表に示します。
表 23: プレスフィットピンを PCB にはんだ付けする場合の I-Sn PTH 仕様
ドリル穴直径
銅厚み
スズメッキ
環状リング
最終穴直径
PCB 基板厚み
最小
2.10mm
25m
10m
100m
標準
2.15mm
最大
2.25mm
2.00mm
0.8mm
1.6mm
SEMITOP®プレスフィットを PCB に組付ける場合、組付けポスト用の推奨穴直径は以下の表に従ってください。
表 24: 組付け穴直径仕様
SEMITOP4® プレスフィット
3.6mm
SEMITOP3® プレスフィット
2mm
SEMITOP2® プレスフィット
2mm
組付けポスト
抵抗、コンデンサ、ダイオードといった電子部品をモジュールピンの近くに配置する場合、特に注意が必要です。これらの電子部
品の端と PTH の中心との最小距離は 4mm 必要です。これによって、PCB をモジュールに固定する際、圧接工具に対する十
分なスペースを確保できます。
図 40: 電子部品と PTH の中心との距離
プレスフィットモジュールの定義自身が意味する様に、モジュールを PCB に完全に整合する様に圧入する必要があります。この
工程に適している入手可能なプレスは、マニュアル、圧力補助マニュアル、半自動および全自動に分類されます。プレスのタイプ
の詳細については、SEMITOP® Press-Fit mounting instructions を参照してください。
セミクロンはキストラーの電動プレスを使用して、プレスフィット技術および工程を認定しています。
A) 圧入工程
プレスフィット技術は、ピンと PCB が正しく電気的に接続されて機能します。従って、プレスフィットピンは PCB 基板の穴に的確な
深さまで、圧入されなければなりません。
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プレスフィットピンの中心が PCB 基板の上面から少なくとも 0.5mm 下で、下面から少なくとも 0.5mm 上の位置になる様にし
てください(下図参照)。
図 41: PCB への圧入深さ
以下のパラメータはセミクロンが使用している圧入工具に基づいています。
 端子当たりの圧入力: 95±10N
 圧入速度: 10mm/s
圧入工程中の圧力ストロークを記録する機能を備えたプレス工具の場合、考慮すべき関連の値がいくつかあります。標準対スト
ロークプロファイルの詳細は SEMITOP® Press-Fit mounting instructions を参照してください。
B) 取り外し工程
取り外し工具を使用して PCB からモジュールを取り外します。以下のパラメータはセミクロンが使用している圧入工具に基づいて
います。
 端子当たりの取外し圧力: 40N
 取外し速度: 2-5mm/s
取外し工程中の圧力ストロークを記録する機能を備えたプレス工具の場合、考慮すべき関連の値がいくつかあります。標準対ス
トロークプロファイルの詳細は SEMITOP® Press-Fit mounting instructions を参照してください。
各 SEMITOP®プレスフィットタイプは 1 回だけ使用できます。モジュールを取り外した場合、再度使用できます。この場合、取り
外し工程後、ピンが変形している為、モジュールを PCB にはんだ付けする必要があります。追加の圧入によって、端子と PCB 穴
間の保持力は非常に低くなります。
プレスフィットモジュールのはんだ付けに備え、環状リングはスルーホールの標準に準じて設計されなければなりません。
PCB を取り外した場合、メッキ材料によって、再度使用する事ができます。

Sn>0.5m : PCB は取り外し後、2 回使用可能です

2.5-5m Ni + Au 0.05-0.2m: PCB は 1 回だけ使用可能です
1 枚の PCB に複数のモジュールを圧入する事ができます。この場合、モジュールは 1 個づつ(続けて)、または一度に全てを圧
入する事ができます。複数のモジュールを一度に圧入する為には、上記の 1 個用の工具に準じた圧入工具が必要です。工具の
使用によって、モジュールと PCB の水平出しを確実にする必要があります。
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5.6.3
PCB スターターキット
5.6.3.1 はんだ端子 SEMITOP®4 GD 回路用デモ PCB 基板
図 42: GD 回路用デモ PCB: 外形寸法
5.6.3.2 はんだ端子 SEMITOP®4 DGDL 回路用デモ PCB 基板
図 43: DGDL 回路用 PCB 基板: 外形寸法
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これらの基板は評価用のもので量産用ではありません。
これらのデモ基板は、動的試験用に低浮遊インダクタンス設計が施されています。この基板では、コンデンサと抵抗によって DC
リンクのプリチャージ回路を構成できます。
推奨: 電解コンデンサ 330uF 400V 4 個
抵抗 68kW/4W 4 個、330W/4W 1 個
PCB 基板のはんだ付け用ピン穴径は、2mm を、PCB 基板の組付け用ピンの穴径は、3.6mm を推奨します。
2 種類のデモ基板は、ご要求に応じ提供致します。
提供するデモボードには、コネクタや面実装部品などの部品は含まれていません。
5.7
ESD 保護
SEMITOP®モジュールのIGBTやMOSFETは、静電気に敏感です。全てのSEMITOP®モジュールは、輸送、保管、および組付
け工程に於いて、ESDカバーによって保護されます。モジュールの取扱い、組付け時には、接地したリストバンド及び作業場を使
用してください。
6
技術説明
6.1
プレスフィット技術の原理
プレスフィット技術によって、SEMITOP®とPCB 間の接点ははんだフリーになります。これは以下の物理現象に基づいています。
接続部の2つの接触面が共に適合すると、実際に接続され電流が流れるのは数ヵ所(金属対金属)で、研磨面に対しても同様で
す。金属対金属の微小な接触の最小半径の標準値は10μmです。プレスフィットの様な圧力による組付けでは、微小な接触領域
にマクロ的な圧力が集中する為に、大きな接触圧力が生じ、接触領域内の実際に効果的な接触点の塑性変形が、常に必要です。
これは、2つの面の結合を意味します。従って、効果的な接触領域が増大します。気密性接触領域が生じる事は最も重要で、腐
食環境に対し耐久性に非常に優れています。
接続原理はよく知られている冷間圧接の効果です。自由電子が両方の接触面の塑性変形で発生します。金属結合電子クラウド
が自由電子と結び付き、塩基性金属と同様なメカニズムで再びそれらを結合します。結合力は再結晶効果によって、接続後数時
間以内に増加します。[4]、[5]
図 44: プレスフィット接続原理
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この端子挿入工程は常温に於いて行う為、さらに表面実装素子に対し余計な加熱工程がない、およびコネクターのハウジングに
耐熱プラスチックが不要という利点をもたらします。
(図のプレスフィットピン設計は単に一例で、現在使用されているプレスフィット端子を代表するものではありません)
6.2
ピンの電流容量
SEMITOP®のピンの最大電流容量は各応用時の条件(動作条件、ヒートシンク温度、冷却条件)によって規定され、1つの一般
的な値として与える事はできません。ピンに流れる電流は、損失および端子の断面積に依存します。ピンとPCB間の接触はピン
自身および端子によって冷却されます。
SEMITOP®の接続端子(例：大きなコネクタ、厚い銅箔で幅広のPCBのパターン)によって、断面積を大きくする事でピンの最大
許容DC電流は増加します。
6.2.1
はんだ端子の電流容量
SEMITOP®3を銅箔厚105mの標準FR4基板にはんだ付け、ヒートシンクP16/120に組付け、PCBとの接続部に於けるピンの
温度上昇を以下をパラメータとして測定しました。


PCBのパターン幅
DC電流
以下に示す 1 つのピンの温度上昇を、DC 電流値をパラメータとして測定しました。

(a) 1 つのピンを 4mm 幅の片面パターンの PCB 基板にはんだ付け

(b) 1 つのピンを 4mm 幅の両面パターンの PCB 基板にはんだ付け

(c) 1 つのピンを 10mm 幅の両面パターンの PCB 基板にはんだ付け
図 45: PCB のパターン幅および DC 電流に対する、 PCB との接合部に於けるピンの温度上昇
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6.2.2
プレスフィットピンの電流容量
プレスフィットピンの役割の 1 つは、はんだ端子と PCB 基板のインターフェースを代替する事です。新規品の通電容量は標準ピ
ンのそれと同等でなければなりません。
この為に、はんだ端子を備えた SEMITOP®4 とプレスフィットピンを備えたそれを、以下の仕様の PCB を使用して比較しました。

2層PCB

銅厚み105m

FR4表面仕上げ

約20°Cでヒートシンクに組付け
以下に電流容量の比較を示します。
図 46: はんだピン対プレスフィットピンの電流容量
測定は赤外線カメラを使用して行い、最も温度が高い点が明らかになりました。曲線は両方の技術は、与えられた電流に対する
温度上昇が極めてよく似ている事を示しています。
全般的な考察として、結果は境界条件はピンの電流容量に影響を与える事を示しています。この結果は実験的試験に基づいて
いて、特定の境界条件に関連します。これによって SEMITOP®モジュールが設計され、物理的限界はシリコンによるもので、ピ
ンの配列ではない事が証明されています。
ユーザーはピンの接触で PCB が過熱しない様に、PCB パターンの寸法、配置について注意が必要です。
6.3
スズのウィスカー形成
半導体の端子に、鉛フリーのはんだ付け対応の表面仕上げとして使用されるスズの電気メッキは、ウィスカーが発生する事が知
られています。
これらのウィスカーはスズの単結晶で数週間から数年で直径数 μm、長さは、数百 μm から数 mm まで成長します。その為、ウ
ィスカーは全ての電気回路に於いてショートや不具合の原因になります。
図 47 は、銅の上のスズ層の断面写真です。大きな金属間化合物が見られ、スズの結晶粒界で成長しています。
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図 47: 大きな Cu6Sn5 の金属間化合物がある、銅の上のスズメッキ
いくつかの研究で、有機物の析出(例：光沢スズ層)、合金の異常成長、温度変化による素地の金属とスズ層の間の CTE(熱膨
張係数)の大きな差により発生する圧縮応力によって、ウィスカーは形成される事が示されています。
ウィスカーの成長を防ぐ、または最小にする効果的な対策は、厚いスズ(例：最小 7,5 μm)のメッキや、異常な金属化合物の成
長を抑制する為、拡散障壁を使用します。
SEMITOP®モジュールでは、8 μm のスズメッキを使用して、ウィスカーの形成を防いでいます。
6.4
サーマルインターフェース材料
モジュールとヒートシンク間の隙間をなくす為に、サーマルグリ－スを塗布します。
グリースは金属間の接触面の形状に沿って広がり、金属間に残っている隙間を埋めます。サーマルインターフェース材料は、こ
の特定の機能に対してあらゆる熱伝導材料が使用可能です。
この材料はおよそ以下のタイプに分類されます。
 ペースト、例：Al2O3 および窒化ホウ素(BN)コンパウンドを含むサーマルペースト
 相転移または粘度変化の原理に基づいた相変化材料
 電気的非絶縁または電気的絶縁フォイル
 ワックスでコーティングされたグラファイトまたはアルミフォイルといった混合構造
セミクロンはサーマルグリース材料として、ワッカー P12 を推奨します。
SEMITOP のデータシートに記載されている接合－ヒートシンク間の熱抵抗は、組付け方法に記述されたヒートシンクに
SEMITOP モジュールを組付けた場合の値です。他のサーマルコンパウンドは使用できますが、接合－ヒートシンク間の熱抵抗
はデータシート記載の値と異なる場合があります。
他のいくつかのサーマルフォイルを使用した場合の、正規化した接合-ヒートシンク間の熱抵抗値を示します。通常、サーマルフォ
イルは硬化段階を経て、最良の熱抵抗値になります。
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図 48: 様々なサーマルコンパウンド使用時の、正規化した接合－ヒートシンク間の熱抵抗
サーマルフォイルは硬化段階を経ても、推奨サーマルグリース、ワッカーP12 使用時の熱抵抗値に比べ、最も高い熱抵抗値を示
します。
これは、接合の過熱を防ぐ為に考慮されなければなりません。他の比較測定はご要求に応じ可能です。
本資料の発行時、相変化材料(PCM)の使用に関し、厳しい試験が実施されました。相変化材料は DCB が破壊するリスクがある
為、ベースプレートなしモジュール用のサーマルインターフェースとして、適切な対象品ではありません。通常、破壊は機械的欠陥
として目に見えませんが、絶縁耐圧試験および SAM(超音波顕微鏡)による解析のみで検出可能です。以下の図は、PCM を使
用してヒートシンクに組付けた後、SEMITOP®の機械的クラックが検出された(SAM による解析)領域を示しています。
図 49: PCM 使用時の DCB クラック
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7
電気・電子装置に於ける特定有害物質使用制限指令(RoHS)
SEMITOP®は、EU指令条項2002/95/EG (RoHS)および以下の改定指令2011/65/EU (RoHS2)に従って鉛フリーの設計
です。
セミクロンはSEMITOP®に関し、6つのRoHS制限物質について調査し、単品を解析しました。
 多臭素化ビフェニル(PBB)
 多臭素化ジフェニルエーテル(PBDE)
 水銀
 カドミウム
 鉛
 クロム VI
各均質材料に関し実施された全ての測定は、製品のRoHS指令を示しています。結果の全てを以下の表に示します。
表 25: 6 つの RoHS 制限物質に関する化学分析結果
重量
物質名
プラスチック
ケース
DCB
端子
鉛 (Pb)
<0.05%
<0.05%
<0.05%
0.1%
<0.005%
<0.005%
<0.005%
0.01%
水銀 (Hg)
<0.05%
<0.05%
<0.05%
0.1%
六価クロム (CrVI)
<0.05%
<0.05%
<0.05%
0.1%
多臭素化ビフェニル (PBB)
<0.05%
<0.05%
<0.05%
0.1%
多臭素化ジフェニルエーテル (PBDE)
<0.05%
<0.05%
<0.05%
0.1%
カドミウム (Cd)
許容値
SEMITOP®の端子はスズメッキで、鉛フリーはんだSnAg(3,5)を使用してDCBにはんだ付けされています。
SEMITOPモジュールの鉛フリーはんだの使用は問題ありません(試験はIEC 600688-2-20Aに準拠して行われました)。
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8
レーザーマーキング
全てのSEMITOP®モジュールは、出荷前に下図に従ってレーザーマーキングされます。
表 26: SEMITOP®レーザーマーキング
(1)
(3)
(2)
(4)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
9
(5)
(6)
セミクロンロゴ
形名
ケースサイズ
デートコード: 6 文字 --> YYWWL (L=ロット)
“R”: RoHS 指令準拠
“ES”: 技術評価サンプル、全ての SEMITOP®は量産開始まで、このマークが表示されます。
梱包仕様
9.1
梱包箱
SEMITOP®モジュールは静電気防止(ESD)ブリスター(Fig.50 左)に入れられた後、標準段ボール箱で梱包されます(図.50
右)。
図 50: SEMITOP®梱包箱
寸法: 154 (W) x 203(D) mm
1 箱当たりの数量(はんだ端子またはプレスフィット):
SEMITOP®1
SEMITOP®2
SEMITOP®3
SEMITOP®4
: 20 個
: 15 個
: 10 個
: 6個
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9.2
梱包表示
全ての SEMITOP®梱包箱は、ステッカーラベルで表示されています。このラベルは、以下の図に示す様に梱包箱に貼られてい
ます。
図 51: SEMITOP®梱包箱のラベル位置
黄色のラベルは、包装箱に静電気に敏感な素子が入っている事を示しています。ラベルは以下の項目を含んでいます。
図 52: SEMITOP®梱包箱のラベル
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
セミクロンロゴ
形名
デートコード 6 桁 “YYWWL”、 L=製造ロット、 “R”: RoHS 指令準拠
発注: 通常 0
梱包箱内の数量(モジュールのサイズにより異なります)、バーコードでも表示されています。
モジュールの製品コード番号、バーコードでも表示されています。
マトリクスデータ: 上記文字列の例
241249120301015290PR301024081770160000940
文字列の内容は以下の通りです。
241: セミクロン製品コード番号
10 : デートコード
30 : 梱包箱内の数量
240: ユーザー製品コード番号(オプション)
94: ユーザー発注書枝番(オプション)
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9.3
保管および保存条件
SEMITOP®製品はIEC 60721-4-1に準じて認証され、元の梱包状態に於いて以下の条件で保管できます。
表 27: 保管条件
期間
2年
気候分類
1K2 (IEC 60721-3-1)
当社の実績より、以下の条件（試験は未実施）の保存が可能ですが、これを超える事はできません。
表 28: 保存条件
相対湿度
最大 85%
保存温度
-25°C … +60°C
結露
保存期間
常に許容されません
最大 2 年
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10 信頼性
10.1 認定試験および特殊試験
信頼性試験の目的を以下に示します。
 製品の一般的な品質および信頼性を確認する事
 様々な条件で試験を行い、設計限界を確証する事
 工程の安定性および製品工程の再現性を確認する事
 製品および工程の変更の影響を信頼性の点で確認する事
以下の試験は、新製品およびまたは再開発モジュールの量産開始、または再認定の為の最低要件です。これらは多数の製品サ
ンプルについて行われる破壊試験です。
表 29: SEMITOP®認定試験
試験項目
試験条件
準拠規格
高温逆バイアス
1000h、Tc=140°C±5°C、95% 最大
逆電圧
IEC 60747
高温ゲートバイアス
1000h; ±VGS,max; TSTG,max
IEC 60747
高温高湿逆バイアス
504h、85°C、85% RH、80% 最大逆
電圧
IEC 60068 Part 2-67
高温保存
1000h、+125°C
IEC 60068 Part 2-2
低温保存
1000h、-40°C
IEC 60068 Part 2-1
温度サイクル
100 サイクル、-40 … +125°C
IEC 60068 Part 2-1-14 Test Na
パワーサイクル
20.000 サイクル、ΔT=110K
IEC 60749-34
はんだ耐熱
260°C ± 5°C、10s ± 1s
IEC 60068 Part 2-20 Test Tb
はんだ付け性
235°C ± 5°C、エージング 3
IEC 60068 Part 2-20 Test Ta
振動
正弦半波掃引、5g、x-y-z 軸、2h/軸
IEC 60068 Part 2-6 Test Fc
衝撃
正弦半波パルス、30g、±x、±y、±z、3
回/方向
IEC 60068 Part 2-27 Test Ea
引張強度
IEC 60068 Part 2-21 Test Ua1
SEMITOP®は、以下の特殊試験にも合格しています。
 振動試験(10g、3 方向)、試験規格：Q101 Rev. May 15, 1996 “Stress test qualification for automotive
grade discrete semiconductors”
試験の前後で静特性の変動なし。
 塩水噴霧試験、試験規格：mil-std-810F method 509.4 +JESD22-a107-a
 腐食環境試験、試験規格：DIN EN 60068-2-60Ke method 3including SO2 in addition to H2S, NO2 and
Cl2 (Table 30 参照)
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表 30: 特殊試験
条件
単位
セミクロン試験条件
H2S
[ppm]
0.4
NO2
[ppm]
0.5
Cl2
[ppm]
0.1
SO2
[ppm]
0.4
温度
[°C]
25
相対湿度
%
75
時間
日
21
試験による素子の寿命への影響を評価する為、試験前、試験中および試験後に関連する素子のパラメータを測定します。
SEMITOP®プレスフィットは、各ケースサイズのサンプルについて、セミクロン標準信頼性試験(表 29) に従って試験を行い認定
されます。
表 31: SEMITOP®プレスフィット認定試験
供試素子
試験項目
SK50GD12T4Tp
SEMITOP®4 プレスフィット









静特性試験
熱抵抗
温度サイクル
高温高湿逆バイアス
高温逆バイアス
低温保存
高温保存
パワーサイクル
正弦波振動
SK30MLI066p
SEMITOP®3 プレスフィット







静特性試験
静特性試験
温度サイクル
正弦波振動
低温保存
高温保存
高温逆バイアス
SK95D16p
SEMITOP®2 プレスフィット


正弦波振動
熱抵抗
熱的特性に関して専用の試験を行いました。SK50GD12T4、SK200GD066T (SEMITOP®4、はんだおよびプレスフィットタイ
プ)は同じ Rth.j-s 特性を示しました。モジュールの設計は、プレスフィット技術に於いても機能し、端子技術の影響は受けない事を
示しています。
プレスフィットピンに関して、特別な注意が振動試験および温度サイクル試験に払われました。これらの試験の目的は、接続抵抗
が安定を保つ事の確認です。SK50GD12T4Tp で実施した試験では、端子－PCB 間の接点は試験後、定常特性を示しました。
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図 53:振動試験および接触抵抗に関する試験用の PCB 例
表 32: SEMITOP®プレスフィット振動試験および温度サイクル試験の詳細
供試素子
試験項目
試験条件
IEC 標準
正弦波振動
軸:Z
周波数範囲: 100-500Hz
加速度: 5g
走査速度: 1 オクターブ/分
試験時間: 2 時間
CEI EN 60068-2-6
ランダム振動
軸:Z
周波数範囲: 20-2000Hz
加速度レベル(RMS): 5g
試験時間: 2 時間
CEI EN 60068-2-64
機械的衝撃
軸:Z
インパルス波形: 半正弦波
ピーク加速度: 30g
試験時間: 11ms
パルス数: 6 (正 3、負 3)
CEI EN 60068-2-27
SK50GD12T4Tp
温度変化: -40… +125°C
温度サイクル
CEI EN 60068-2-1-14
Test Na
10.2 寿命計算
パワーモジュールの寿命は動作中、パッケージの異なる材料間に発生する機械的応力によって制限されます。機械的応力は、
表 15 に示したそれぞれの材料の熱膨張係数(CTE)の差によって発生します。
モジュールの加熱、冷却により、各材料はそれぞれの熱膨張係数で膨張します。これらの材料は互いに接続されている為、自由
に膨張する事はできず、結果として上述の機械的応力が発生します。温度が変化すると、異なる材料層内で発生する機械的応
力により機械的疲労が生じます。一定のパワーサイクル数の後にモジュールは故障します。市場からの代表的な故障はボンディ
ングワイヤーの剥離で、チップ(または DCB の銅パターン)とワイヤーの接続部が剥がれます(以下の図、参照) [3]。
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図 54: 代表的なボンディングワイヤーの剥離の電子顕微鏡写真
従って、モジュールの寿命はモジュールが耐えられる温度サイクル数と関係があります。温度変化は、動作時の最高温度と最低
温度の差です。大きな温度差は、大きな応力を発生させます。
式 6: 故障に至るサイクル数
𝐸𝑎
𝑁𝑓 = 𝐴 ∙ ∆𝑇𝑗𝛼 ∙ 𝑒 𝑘𝐵 ∙𝑇𝑗𝑚
Nf = パワーサイクル数
kB = ボルツマン定数
Ea = 活性化エネルギー (9.89∙10-20 J)
A = 定数 (3.025∙105)
α = 定数 (-5,039)
Tjm = 中間接合温度 [K]
ΔTj = 温度差 [K]
この分野に於いて、“LESIT study”として知られている研究プロジェクト等の、様々な調査が行われています。この研究では、サ
イクル数、接合温度差 ΔTj = Tj,max-Tj,mini、およびパワーサイクル中の中間接合温度 Tjm の関係が示されています。
ベースプレートが無いモジュールの寿命評価曲線は、以下の図の様に既存の LESIT 曲線から外挿する事ができます。
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Cycles to failure
図 55: 標準 IGBT モジュールの接合温度差 ΔTj および中間温度 Tjm に対するパワーサイクル数 Nf
ΔTj [K]
本資料の発行時、このカーブは全ての SEMITOP®IGBT モジュール、063、065、066、125、126、12T4 シリーズに適用され
ます。
11 サポート
11.1 特定顧客向けパワーモジュール
特定顧客向けパワーモジュール戦略は、迅速かつ効果的な手段で、特定の要求に応える為のサポートと生産体制を意味します。
SEMITOP®は最も代表的な製品プラットフォームで、その自在で低いインダクタンス設計、および最新チップ技術の搭載により、
ユーザーの特定の目標および要求を実現します。
主なユーザーの利点
 技術革新および差別化
 クラス最高の性能を提供する幅広いチップのラインアップ
 短期間のサンプル納入
 開発期間の短縮
 短期間の商品化
SEMITOP®の特定製品の設計は以下の工程で進みます。
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図 56: 特定顧客向け製品工程概要
工程は以下の手順で進みます。

特定の電気的仕様、ハウジング、電気的境界条件(基本的に SEMISEL に於ける情報と同じ)、プロジェクトスケジュールお
よび生産数量、価格といったビジネス情報に基づくユーザーよりの新規引合い

セミクロンはプロジェクト仕様を評価し、技術的および経済的実現可能性の検討を開始

実現可能性が確かであれば、セミクロンはユーザーに全ての技術的側面(SEMITOP®ハウジング、ピン配列、特定製品の
場合、内部の配置)、および価格提示、販売契約条件を提示します

ユーザーはセミクロンの提案を時間をかけて評価します

承認された場合、セミクロンは一次サンプルを製造し、ユーザーへ最初の試験用に送付します。
新しいプロジェクトを展開させる場合、短期間の商品化を達成する為に常にセミクロンによるサポートがあります。これは全てのプ
ロジェクト段階に於ける協調を意味します。ユーザーはプロジェクトの規定に関わり、技術仕様を迅速、確実に規定します。最初
に正しい要求を得て、費用がかかる設計過程後半に於ける変更を避けられます。
技術の仕事量を最小にする為にソフトウエアによるサポートが使用され、あらゆる製品が確実にユーザーの要求に適合します。
これにより、カスタムモジュールを迅速にユーザーの要求に従って製造する事ができます。
11.2 追加サービス
いわゆるサービスリクエストプロセスを通して標準サービスに加え、ユーザーに対し追加の製品サポートを提供する事ができます。
サービスの過程は極めて単純です。

ユーザーは SEMITOP®製品に関連するサービスを要求します

サービスは当社内で検討されます

ユーザーは全ての技術の詳細および販売条件に関する正式な提案を受取ります

ユーザーの承認後、サービスの提供が開始されます
サービスの要求例を以下の表に示します。
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表 33: サービス例
サービス項目
電気的特性選別
標準認定項目以外の特殊試験
カスタムラベル
倉庫管理または厳しい品質要求を満たす様々な梱包システム
塗布済みサーマルペースト
11.3 SEMISEL シミュレーションソフトウェア
全ての SEMITOP®製品は、シミュレーションソフトウェアツール“SEMISEL”で、以下に示す実際の応用パラメータを使用して解
析すろ事ができます。






DC リンク電圧
スイッチング周波数
出力電流
温度
過負荷条件
その他
ソフトウェアは、入力動作条件に対するチップの損失および推定接合温度を出力します。“SEMISEL”はセミクロンのウェブサイト
上のフリーソフトウェアです。http://www.semikron.com/service-support/semisel-simulation.html
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12 図一覧
図 1: SEMITOP®プレスフィットファミリー(左) 、1 回の PCB 実装概念(右) .............................................................4
図 2: SEMITOP® 機械的構造 ................................................................................................................5
図 3: SEMITOP® 外形寸法例 ................................................................................................................6
図 4: セミクロン製品ラインアップ中の SEMITOP® の位置付け ...........................................................................8
図 5: 出力 55kW までの SEMITOP® 回路構成 ...........................................................................................8
図 6: SEMITOP® 高速スイッチング技術によるソリューション .............................................................................9
図 7: SiC チップ組合せおよび SEMITOP® SiC 回路構成 ................................................................................9
図 8: パワー半導体の動作周波数範囲 ..................................................................................................... 12
図 9: 600V/650V IGBT 技術の位置付け ............................................................................................... 13
図 10: 1200V IGBT トレンチ技術の位置付け ........................................................................................... 15
図 11: IGBT 安全動作領域 (SOA) ........................................................................................................ 18
図 12: IGBT 逆バイアス安全動作領域 (RBSOA) ....................................................................................... 19
図 13: IGBT 短絡安全動作領域 (SCSOA) ................................................................................................. 19
図 14: MOSFET 安全動作領域 (SOA) ................................................................................................... 20
図 15: ダイオードの時間に対するサージ過電流 .......................................................................................... 21
図 16: SEMITOP®の構造と SKiiP 技術概念 ............................................................................................. 22
図 17: ベースプレート付き、無しモジュールの熱抵抗の経路 ............................................................................ 23
図 18: スイッチング周波数に対する最大出力 ............................................................................................. 24
図 19: SEMITOP®パッケージ (断面図)................................................................................................... 25
図 20: 各種パワーモジュールの CTE の比較 ............................................................................................. 26
図 21: 熱抵抗 Rth 測定の仕組みの設定 ................................................................................................... 27
図 22: 多層構造と熱等価回路カウアーネットワーク ..................................................................................... 28
図 23: フォスターネットワーク ............................................................................................................... 29
図 24: 熱インピーダンスプロファイル例 .................................................................................................... 29
図 25: 標準 NTC センサーの特性 .......................................................................................................... 30
図 26: 標準 PTC センサーの特性 .......................................................................................................... 30
図 27: DCB 基板上の温度センサーの位置 ............................................................................................... 31
図 28: ボンドワイヤ溶断によって生ずる高エネルギープラズマの図 .................................................................... 31
図 29: ヒートシンク仕様 ...................................................................................................................... 32
図 30: SEMITOP®モジュールのかすり傷 ................................................................................................. 32
図 31: PCB 基板への組付けおよびヒートシンクへの組付け ............................................................................. 35
図 32: はんだ端子 SEMITOP®モジュールの組付け手順 ............................................................................... 35
図 33: プレスフィットピン SEMITOP®モジュールの組付け手順 ......................................................................... 36
図 34: ELCOMETER 測定ゲージ .......................................................................................................... 37
図 35: サーマルペースト塗布済み SEMITOP® ........................................................................................... 38
図 36: SEMITOP®モジュールを多数、1 枚の PCB 基板に実装した例 ................................................................ 39
図 37: はんだ接合の良い例 ................................................................................................................. 40
図 38: 詳細 .................................................................................................................................... 40
図 39: フローはんだプロファイル ............................................................................................................ 41
図 40: 電子部品と PTH の中心との距離 ................................................................................................... 42
図 41: PCB への圧入深さ B ................................................................................................................. 43
図 42: GD 回路用デモ PCB: 外形寸法 ................................................................................................... 44
図 43: DGDL 回路用 PCB 基板: 外形寸法 ............................................................................................... 44
図 44: プレスフィット接続原理 ............................................................................................................... 45
図 45: PCB のパターン幅および DC 電流に対する、 PCB との接合部に於けるピンの温度上昇 ................................... 46
図 46: はんだピン対プレスフィットピンの電流容量 ........................................................................................ 47
図 47: 大きな Cu6Sn5 の合金がある、銅の上のスズメッキ .............................................................................. 48
図 48: 様々なサーマルコンパウンド使用時の、正規化した接合－ヒートシンク間の熱抵抗 .......................................... 49
図 49: PCM 使用時の DCB クラック ....................................................................................................... 49
図 50: SEMITOP® 梱包箱 .................................................................................................................. 51
図 51: SEMITOP®梱包箱のラベル位置................................................................................................... 52
図 52: SEMITOP®梱包箱のラベル ........................................................................................................ 52
図 53: 振動試験および接触抵抗に関する試験用の PCB 例 ............................................................................ 56
図 54: 代表的なボンディングワイヤーの剥離の電子顕微鏡写真 ....................................................................... 57
図 55: 標準 IGBT モジュールの接合温度差 ΔTj および中間温度 Tjm に対するパワーサイクル数 Nf .............................. 58
図 56: 特定顧客向け製品工程概要 ........................................................................................................ 59
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13 表一覧
表
表
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表
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表
表
表
1: SEMITOP® 異なる寸法区分に従った公差 ...........................................................................................5
2: SEMITOP® ケース外形寸法 ...........................................................................................................7
3: 素子技術マトリクス ..................................................................................................................... 10
4: IGBT 技術マトリクス ................................................................................................................... 10
5: SEMITOP® 形名付与法 .............................................................................................................. 11
6: 600V/650V IGBT 技術の比較 ..................................................................................................... 13
7: 600V/650V IGBT 技術の比較 ..................................................................................................... 14
8: 1200V IGBT 技術の比較 ............................................................................................................ 14
9: 1200V IGBT 技術の比較 ............................................................................................................ 15
10: MOSFET ラインアップ ............................................................................................................... 16
11: SiC MOSFET ラインアップ .......................................................................................................... 16
12: 主要 SiC 市場および課題 ........................................................................................................... 18
13: IGBT 特性比較 ....................................................................................................................... 24
14: 同一基準点に於ける IGBT 特性比較 .............................................................................................. 24
15: SEMITOP®パッケージ材料データ ................................................................................................. 25
16: 外観問題の受入れ ................................................................................................................... 33
17: 組付け工程概要 ...................................................................................................................... 36
18: SEMITOP®モジュール用グリースの推奨平均厚み .............................................................................. 37
19: 特別パターンによる塗布済みサーマルグリース厚み ............................................................................. 38
20: 塗布済みサーマルペースト保存条件 ............................................................................................... 38
21: SEMITOP®の締付けパラメータ .................................................................................................... 38
22: I-Sn PTH 仕様 ....................................................................................................................... 41
23: プレスフィットピンを PCB にはんだ付けする場合の I-Sn PTH 仕様 ........................................................... 42
24: 組付け穴直径仕様 ................................................................................................................... 42
25: 6 つの RoHS 制限物質に関する化学分析結果 .................................................................................. 50
26: SEMITOP®レーザーマーキング.................................................................................................... 51
27: 保管条件 .............................................................................................................................. 53
28: 保存条件 .............................................................................................................................. 53
29: SEMITOP®認定試験 ................................................................................................................ 54
30: 特殊試験 .............................................................................................................................. 55
31: SEMITOP® プレスフィット認定試験................................................................................................ 55
32: SEMITOP® プレスフィット振動試験および温度サイクル試験の詳細 .......................................................... 56
33: サービス例 ............................................................................................................................ 60
14 式一覧
式
式
式
式
式
式
1:
2:
3:
4:
5:
6:
印加した電力損失と温度差に対する Rth,j-s ......................................................................................... 26
熱抵抗および熱容量の式 ............................................................................................................. 28
フォスターネットワークの一般式 Zth ................................................................................................. 28
NTC 一般式............................................................................................................................. 29
PTC 一般式 ............................................................................................................................. 30
故障に至るサイクル数 ................................................................................................................. 57
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15 記号と用語
記号
用語
a.c, AC
交流
Al2O3
酸化アルミニウム
AlN
窒化アルミニウム
CTE
温度膨張係数
Cth
熱容量
d.c., DC
直流
DBC
ダイレクトボンディングカッパー
di/dt
電流上昇率
dic/dt
コレクタ電流上昇率
DIN
Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN; ドイツ工業標準規格)
EN
欧州規格
Eoff
ターンオフ損失
Eon
ターンオン損失
fsw
スイッチング損失
I
インジウム
IC
連続コレクタ電流
IC,nom
標準コレクタ電流
ICRM
ピーク繰り返しコレクタ電流
ID
連続ドレイン電流 (MOSFET)
IF(OV)
過負荷順電流
IFSM
サージ順電流
ISC
過負荷順電流
NPC
クランプダイオード使用の 3 レベルインバータ
PTH
スルーホール
rds(on)
ドレイン・ソース間オン抵抗(MOSFET)
RG
ゲート回路抵抗
Rth,c-s
ケース・シンク間熱抵抗
Rth,j-c
接合－ケース間熱抵抗
Rth,j-s
接合－ヒートシンク間熱抵抗
SiC
シリコンカーバイド
Sn
スズ
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TC
ケース温度
TNPC
T 型 3 レベルインバータ
TS
ヒートシンク温度
Tj
接合温度
VCC
コレクタ・エミッタ供給電圧
VCE
コレクタ・エミッタ間電圧
VCES
コレクタ・エミッタ間電圧(ゲート・エミッタ間短絡)
VCE,sat
コレクタ・エミッタ間飽和電圧
VDD
ドレイン・ソース間供給電圧(MOSFET)
VDS
ドレイン・ソース間電圧
VR
(直流)逆電圧
VRRM
ピーク繰り返し逆電圧
Zth,j-s
接合－ヒートシンク間過渡熱インピーダンス
記号と用語の詳細は"Application Manual Power Semiconductors" [2]を参照してください。
16 参考文献
[1] www.SEMIKRON.com
[2] A. Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, “Application Manual Power Semiconductors”, ISLE
Verlag 2015, ISBN 978-3-938843-83-3
[3] “Power Cycling with High Temperature Swing of Discrete Components based on
Different Technologies” (IEEE Power Electronics Specialists Conference 2004 PESC04, pp2593-2598)
[4] www.powerguru.com
[5] Self acting PressFIT module; Thilo Stolze; Infineon Technologies AG, Max-Planck-Strasse 5, 59581
Warstein.
[6] Reliability of PressFit connections, T.Stolze, M.Thoben, M.Kich, R.Severin, Infineon Technologies AG,
Max-Planck-Strasse 5, 59581 Warstein.
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17 履歴
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改訂 no.
3
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