1 自動車に必要とされる パワーデバイス （株）豊田中央研究所 只野 博 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 2 自動車における半導体デバイスの使用例 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 自動車用デバイスの耐環境性 （センサを例として） 自動車用 作動温度 耐 環 境 性 家 電 用 －４０～＋１２０℃ －１０～＋５０℃ 計 測 用 航空機用 ０～４０℃ －５５～＋７０℃ 振動 ２～２５Ｇ ～５Ｇ ～１Ｇ ０．５～１０Ｇ 電源電圧変動 ±５０％ ±１０％ ±１０％ ±１０％ 悪 良 良 塩水、泥水、排ガス 水 電磁環境 その他 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 3 4 自動車で使用される半導体の量 カローラ 0.21 Wafer 6インチ基板換算 < Custom IC > + カローラ ＋ ナビシステム 0.48 Wafer Microcomputer Memory CMOS Logic Bipolar BiCMOS < Discrete > + HEV: プリウス ＋ ナビシステム 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 0.96 Wafer Power MOSFET IGBT Power Diode Discrete Others 5 環境問題と自動車 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 6 ＣＯ２排出割合 産業 CO2排出量（百万ﾄﾝCO2） ｴﾈﾙｷﾞｰ変換 運輸 業務その他 家庭 工業ﾌﾟﾛｾｽ 廃棄物 その他 年度 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 日本国温室効果ガスインベントリ報告書（2008年5月） 7 ＨＶ技術の展開 DC Power AC Power Motor/Generator Inverter 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 Battery http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/powertrain 8 TOYOTAのＨＶ開発状況 1998 2000 2002 2004 2006 プリウス エスティマ ハリアー レクサスGS カムリ レクサスLS 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 2008 9 レクサスGS450h Engine Power Sprit Device Torsional Damper Generator ハイブリッドｼｽﾃﾑ 出力 255kW エンジン 3.5 Liter , V6 ( 218kW@6400rpm ) Inverter Two-stage Motor Reduction Device 650V Motor Converter (147kW) モーター Battery 電池 燃費 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 交流同機モータ ( 147kW ) ニッケル水素電池 14.2 km/l (10-15ﾓｰﾄﾞ） 10 車両開発の方向 運転性能 ｷｰ技術はﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ技術 対環境性能 http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/powertrain/hybrid 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 11 パワーコントロールユニットの電力密度 800 (kVA) (kVA) Max. Output PCUPCU出力 600 ESTIMA (Front motor) GS 450h (FR) RX 400h (4WD) 400 CAMRY (FF) 200 ’03 Prius 0 0 10 R. Hironaka et al, "Development of small size Power Control Unit", EVS-22 Yokohama, Japan, Oct. 23-28, pp.1655-1662, 2006. 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 20 PCU Volume ((L)l) PCU体積 30 40 12 ハイブリッド車用インバータの動向 • • インバータの小型・高出力化に伴う課題対応 パワーデバイスの低コスト化への対応 デバイスと冷却の 性能向上が寄与 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 13 ＨＶインバータ用 パワーデバイスの開発 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 14 自動車用ﾊﾟﾜｰデバイス・回路 研究開発 要求 低損失 デバイス構造、導通キャリヤ分布の最適化 高耐圧 電界分布の最適化 高信頼 ｹﾞｰﾄ酸化膜信頼性向上、ｱﾊﾞﾗﾝｼｪ耐量向上構造 ノイズ特性 回路寄生ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽとｽｲｯﾁﾝｸﾞ速度の最適化 温度安定性 温度特性ばらつき、温度上昇によるﾓｼﾞｭｰﾙ構造信頼性 ・・・ ・・・ コスト 低コスト基板利用デバイス構造 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 15 ハイブリッド車の開発とIGBTの進化 1995 2000 2005 2010 THS-Ⅱ THS THS-Ⅱ 初代プリウス プリウス 13.0mm Gate Gate Temperature TemperatureSensor Sensor Current Current Sensor Sensor 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 Gate Gate Current Current Sensor Sensor ～13mm ～8.5mm Temperature Temperature Sensor Sensor 9.7mm 13.0mm 13.7mm 16 HVインバータ用デバイスの性能向上 プリウス（‘03） ハリアー レクサスGS デバイス構造 平面ｹﾞｰﾄ ﾄﾚﾝﾄｹﾞｰﾄ ﾄﾚﾝﾁｹﾞｰﾄ チップサイズ(mm2) 13.7x9.7 12.75x9.39 12.75x9.39 チップ厚さ(μm) 380 375 300 耐圧(V) 850 1050 1050 導通損失(W/cm2) 265 242 232 K.Hamada;APEC2007 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 17 モジュール熱設計 標準的なﾓｼﾞｭｰﾙの断面構造 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 モジュールの温度分布例 （定常状態） 90Pbはんだ 40 ＩＧＢＴ 50Pbはんだ 温度変化量（℃） 35 30 25 DBA 20 50Pbはんだ 15 10 ｸﾞﾘｽ Al冷却板 CuMo 5 0 Ｚ方向位置（au） 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 構成材料 熱伝導率（ W/mK) IGBT（Si） 150 Al 240 AlN 180 はんだ 45 ヒートシンク 200 グリス 1 SiC 490 18 19 Al配線の信頼性 Cracks between Al wire and power device propagate quickly due to increase of current density and temperature change. Al Wire Cracks propagate, then lift off Al Si 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 20 Alボンディング線配置の影響 Diameter of Al wire is 400 µm Initial temperature is 20ºC Temperature distributions depend on Al wire bonding patterns. 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 21 電気-熱連携シミュレーション Inverter Small size inverter Inverter High power inverter IGBT Maximum acceleration Downsizing IGBT temperature IGBT Small size & high power inverter FAILURE Operating limit Conventional inverter Battery Inverter Engine Generator Motor High torque point Driving time 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 High torque 22 ＨＶ駆動状態のシミュレーション例 入力 Torque ﾓｰﾀ駆動条件 ｲﾝﾊﾞｰﾀ動作 条件 Revolution Time DC-link voltage Carrier frequency Time 出力 Device temperature 素子温度 Time 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 23 全加速状態でのシミュレーション 素子温度変化 (K) 60 Measurement Simulation Non-coupling simulation 50 40 30 20 IGBT (center) 10 0 0 1 2 時間 (s) 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 3ｘIGBTと3ｘﾀﾞｲｵｰﾄﾞを 並列接続した例 3 4 24 構成材料の線膨張率の違い 材料名 線膨張率 （×１０－６／℃） Ｓｉ ３ Ａｌ ２５ ＡＩＮ ４．３ Ｃｕ １７ ６Ｈ‐ＳｉＣ ４．２ 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 25 機械的影響の評価 機械的熱応力の発生 Alワイヤ DBC 基板 ハンダ Si Alワイヤ 応力 ハンダ 応力 Si ベースプレート 低熱抵抗材料 (a)従来モジュール (b)片側冷却構造 X デバイス Y 応力 低熱抵抗材料 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 最悪の場合、デバイスの水平方向に 大きな熱応力が発生 (理想的なハードソルダーと銅を使用した場合: 500MPa at –40℃, TCECu=17, TCESi=3x10-6/K) 26 オン特性の変動解析 -485 -253 0 +275 (MPa) 200 10 Tensile ΔVon / Von (%) Ic (A) Compressive <110> 100 <110> 0 0 1 2 Vce (V) 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 DVon±5% 0 Measurement Simulation* -10 -800 -400 Compressive 0 400 Stress (MPa) 800 Tensile 27 10 DVBD 1% 0 Measurement Simulation** -10 -800 -400 Compressive 0 400 Stress[MPa] 800 Tensile 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 ΔIleak/ Ileak [%] at Vce=1000V ΔV BD / V BD [%] at Ic=5µA オフ特性の変動解析 100 0 Measurement Simulation** -100 -800 -400 0 400 800 Compressive Stress[MPa] Tensile 接合の応力・信頼性解析 熱ストレスシミュレーション Input Prediction of thermal stresses and strains with high accuracy Cu, Si properties 3D-FEM Boundary conditions Shape, Dimension Input Modeling for inelastic behaviors of solder using constitutive equation T1 T2 T3 Strain 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 Strain Strain ･ ε2 Stress Stress ･ ε1 Stress Temperature Strain rate σ3 σ2 σ1 Time 28 29 鉛フリーはんだの特性シミュレーション例 50 10 Temperature：-10℃ Temperature:-10℃ Temperature：-40℃ 40 8 40 Stress：33MPa 0.01%/sec 20 6 4 26MPa Stress (MPa) 30 Strain (%) Stress (MPa) Strain rate:0.1%/sec 20 0 -20 10 2 Experiment Proposed model -40 Conventional FEM model 0 0 0.5 1 1.5 Strain (%) 2 0 0 Stress-strain curve 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 4000 8000 Time (s) Creep curve -2 -1 0 2 1 Strain (%) Cycle stress-strain relation インバータ・モータシステムの ノイズ解析 サージ電圧 サージ・リンギング電圧 電圧 高速ｽｲｯﾁﾝｸﾞ 小 30 電源電圧 時間 デバイスSW波形 (拡大図) 発生源 (拡大図) 分布定数回路 IGBT Diode 分布定数回路 ･･･ ･･･ 電 源 電源電圧 ケーブル インバータ グランド モータ 浮遊容量 寄生インダクタンス グランド 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 31 デバイス構造とサージ電圧発生 180 800 800 160 160 700 140 600 600 120 120 Collector Voltage 100 80 80 500 400 400 300 Collector Current 60 Collector Voltage (V) 900 Increasing the n- thickness 40 40 200 200 20 100 0 0 00 0 16.5 0.2 16.7 0.4 16.9 0.6 17.1 0.8 17.3 Time(usec.) Time ( sec.) 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 1.0 17.5 1.2 17.7 Collector Voltage(V) (A) Collector Current Current(A) Collector 200 200 1.4 17.9 IGBTターンオフ時 32 ダイオードのターンオフサージ 800 Conventional chip VAK (V) 600 400 200 New chip Vsp=600V Ipeak=200A 00 0.0 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 0.5 1.0 Time (usec.) 1.5 33 各トラップの準位・同定 H2 L.C. H.C. DLTS signal [arb. units] H1 正孔トラップ hole traps E2 E3 E1 電子トラップ electron traps E4 0 50 100 150 200 250 300 正孔トラップ (EV+0.35eV)に関する 過去報告例 Temperature [K] 350 記号 準位 同定候補 E1 Ec－0.10eV ？ E2 Ec－0.16eV VO(-/0) E3 Ec－0.23eV VV(--/-) E4 Ec－0.40eV VV(-/0) H1 Eｖ＋0.20eV VV(0/+) H2 Eｖ＋0.35eV CiOi,CiOiVV 著者 文献 年 手法 EV+0.35eV G.D.Watikins Phys.Rev.B 1982 ESR CiOi L.C.Kimerling A.P.L 1987 DLTS CiOi M.W.Huppi J.A.P 1990 DLTS CiOi/COVV R.Siemieniec ISPSD 2003 DLTS COVV（COV） P.Hazdra ISPS 2004 DLTS CiOi 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 34 ワイドバンドギャップ 半導体の開発と期待 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 35 新規パワーデバイスの研究 Si半導体を用いたﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽの研究開発 ↓ Si半導体の物性値による限界に近づきつつある ↓ 新規ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽの研究 新構造Si半導体 ？ SiC半導体 GaN半導体 新材料パワーデバイス 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ半導体 36 GaNと関連デバイスのベンチマーク（材料物性） パワーデバイス用半導体材料の物性比較 材料 ﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ (eV) 比誘電率 電子移動度 (cm 2/Vs) 破壊電界 (106V/cm) 飽和速度 (107cm/s) 熱伝達率 (W/cmK) Si 1.10 11.8 1350 0.3 1.0 1.5 ４H-SiC 3.26 10.0 720 2.0 2.0 4.5 GaN 3.39 9.0 1200 5.0 2.5 2.3 性能指数 性能指数 1000 大電力性能指数（JM)と 低抵抗性能指数（BM) （Siを１として表示） 500 100 BM JM 0 Si ４H-SiC 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 GaN 37 オン抵抗（mΩ・cm2） 100 SiC＆GaNデバイス 最近の報告例 10 Si-IGBT SiC-MOSFET（ノーマリオフ特性） SiC-JFET（ノーマリオン特性） SiC-JFET（バイポーラ動作） SiC-ダイオード GaN-HEMT（ノーマリオン特性） 1 0.5 500 GaN-HEMT（ノーマリオフ特性） 1000 5000 降伏電圧（V） 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 38 GaNトランジスタの高温動作例 Gate pad Drain pad Source pad 横型GaNデバイス（サファイア基板） 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 39 鉛フリー高温接合材料 - Pb-Sn solders : Harmful 高価 - Typical Pb-free solders Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Cu Melting points are around 220ºC Au-Sn 有害 候補材料 Bi (melting point is 270ºC) is candidate Inferior properties of Bi 1) Brittleness 2) Weak mechanical strength Novel Bi-based solder Bi with CuAlMn 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 Sn 200 Au-Si Tl Cd Pb Bi 300 各種材料の融点（℃） Zn 400 40 縦型GaNデバイス RONS =2.6 mWcm2 VGS-Id Characteristics S. Kanechika et al, Jpn. J. Appl. Phys. 46, L503(2007). 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 41 ワイドバンドギャップ半導体への期待 ・低オン電圧化による導通損失の低減 ・高速動作によるｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失低減 ・スイッチングデバイス ・ダイオード ・冷却機構の簡素化 ・モジュールの小型化 ・高温動作 ・高負荷耐量 ・接合技術 ・機械的物性の評価 ・長期安定性の確保（欠陥低減？） ・高速動作に伴うノイズ発 生を抑制する技術 ・高信頼性（温度、環境、ノイズ） ・低コスト（システムの低コスト化） ・基板結晶を含む低コスト化 2009年1月23日 第4回窒化物半導体応用研究会 ＨＶ車の普及
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