自動車に必要とされるパワーデバイス...2009年1月23日...

2009年1月23日第4回窒化物半導体応用研究会

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


2

自動車における半導体デバイスの使用例


3

自動車用デバイスの耐環境性（センサを例として）

耐環境性

作動温度

振動

電源電圧変動

電磁環境

その他

－４０～＋１２０℃

２～２５Ｇ

±５０％

悪

塩水、泥水、排ガス

－１０～＋５０℃

～５Ｇ

±１０％

良

水

自動車用家電用計測用航空機用

０～４０℃

～１Ｇ

±１０％

良

－５５～＋７０℃

０．５～１０Ｇ

±１０％


4

Power MOSFET

Discrete Others

MicrocomputerMemoryCMOS LogicBipolarBiCMOS

< Custom IC >

< Discrete >

IGBTPower Diode

+

+

カローラ

カローラ＋ナビシステム

HEV: プリウス＋ナビシステム

6インチ基板換算

0.96 Wafer

0.21 Wafer

自動車で使用される半導体の量

0.48 Wafer


5

環境問題と自動車


6

ＣＯ２排出割合

産業

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

CO

2排出量（百万ﾄﾝ

CO

2）

日本国温室効果ガスインベントリ報告書（2008年5月）年度


7

http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/powertrain

AC

Power

BatteryMotor/Generator Inverter

DC

Power

ＨＶ技術の展開


8

20001998 2002 2004 2006

エスティマ

ハリアー

レクサスGS

カムリ

レクサスLS

プリウス

2008

TOYOTAのＨＶ開発状況


9

レクサスGS450h

Torsional Damper

Engine

Power Sprit

Device

Motor

(147kW)

Generator

Two-stage Motor

Reduction Device

Inverter

Battery

Converter交流同機モータ

( 147kW )

ニッケル水素電池

燃費

電池

モーター

エンジン 3.5 Liter , V6

( 218kW@6400rpm )

ハイブリッドｼｽﾃﾑ出力 255kW

14.2 km/l (10-15ﾓｰﾄﾞ）

650V

高出力化したハイブリッド自動車とパワー制御ユニット高出力化したハイブリッド自動車とパワー制御ユニット


10

車両開発の方向

http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/powertrain/hybrid

ｷｰ技術はﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ技術

対環境性能

運転性能


11

0

200

400

600

800

0 10 20 30 40

PCU Volume ( l)

PC

U M

ax. O

utp

ut (

kVA

)

R. Hironaka et al, "Development of small size Power Control Unit",

EVS-22 Yokohama, Japan, Oct. 23-28, pp.1655-1662, 2006.

’03 Prius

RX 400h

(4WD)

CAMRY

(FF)

GS 450h

(FR)ESTIMA

(Front motor)

パワーコントロールユニットの電力密度

PCU体積 (L)

PC

U出力

(kV

A)


12

ハイブリッド車用インバータの動向

デバイスと冷却の性能向上が寄与

• 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


13

ＨＶインバータ用パワーデバイスの開発


14

自動車用ﾊﾟﾜｰデバイス・回路

低損失

高耐圧

高信頼

ノイズ特性

温度安定性

・・・

コスト

デバイス構造、導通キャリヤ分布の最適化

電界分布の最適化

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

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

温度特性ばらつき、温度上昇によるﾓｼﾞｭｰﾙ構造信頼性

・・・

低コスト基板利用デバイス構造

要求研究開発


15

1995 2000 2005 2010

9.7

mm

13.7mm

Temperature SensorTemperature Sensor

Current Sensor Current Sensor

GateGate

9.7

mm

13.7mm



GateGate

13.0mm



GateGate

13.0

mm

13.0mm



GateGate

13.0

mm

THS THS-Ⅱ

ハイブリッド車の開発とIGBTの進化

初代プリウス

プリウス

THS-Ⅱ

～13mm

～8.5

mm


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


17

モジュール熱設計

標準的なﾓｼﾞｭｰﾙの断面構造


18

モジュールの温度分布例（定常状態）

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ｚ方向位置（au）

温度変化量（℃）

CuMo

50Pbはんだ

DBA

Al冷却板ｸﾞﾘｽ

ＩＧＢＴ

50Pbはんだ90Pbはんだ

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


19

Si

Al Wire

Cracks propagate,

then lift off

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


20

Alボンディング線配置の影響

Temperature

distributions depend on

Al wire bonding

patterns.

Diameter of Al wire is

400 µm

Initial temperature is

20ºC


21

Battery

EngineGenerator

Motor

Maximum

acceleration

Down-

sizing

Inverter

IGBT

IGB

T t

em

pera

ture

Driving time

FAILURE

Conventional

inverter

High torque point

Operating

limit

High power

inverter

Small size

inverterIGBT

Inverter

High torque

Small size &

high power

inverter

Inverter

電気-熱連携シミュレーション


22

ＨＶ駆動状態のシミュレーション例

入力

出力

ﾓｰﾀ駆動条件

ｲﾝﾊﾞｰﾀ動作条件

素子温度

Torque

RevolutionTime

DC-link voltage

Carrier frequency

Time

Device temperature

Time


23

3ｘIGBTと3ｘﾀﾞｲｵｰﾄﾞを並列接続した例

全加速状態でのシミュレーション

素子

温度

変化

(K)

時間 (s)

0 1 2 3 40

10

20

30

40

50

60

IGBT(center)

MeasurementSimulationNon-coupling simulation


24

Ｓｉ

Ａｌ

ＡＩＮ

Ｃｕ

６Ｈ‐ＳｉＣ

３

２５

４．３

１７

４．２

線膨張率

（×１０－６／℃）材料名

構成材料の線膨張率の違い


25

Si

ベースプレート

DBC

基板

(a)従来モジュール

ハンダAlワイヤ

機械的熱応力の発生

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)

(b)片側冷却構造

Si

ハンダ

Alワイヤ

低熱抵抗材料

応力応力

応力

デバイス

低熱抵抗材料

X

Y

機械的影響の評価


26

オン特性の変動解析

0

100

200

0 1 2

Vce (V)

Ic (

A)

0 +275-253-485

TensileCompressive

(MPa)

-10

0

10

-800 -400 0 400 800

Stress (MPa)

ΔV

on /

Von (

%)

Measurement

Simulation*

Compressive Tensile

<110>

<110>

DVon±5%


27

-100

0

100

-800 -400 0 400 800

Stress[MPa]

ΔI l

eak/

I lea

k [

%]

at V

ce=

10

00V

Simulation**

Measurement

Compressive Tensile

-10

0

10

-800 -400 0 400 800

Stress[MPa]

ΔV

BD /

VB

D [

%]

at I

c=5

µA

Simulation**

Measurement

Compressive Tensile

1%BDVD

オフ特性の変動解析


28

3D-FEMCu, Si properties

Shape, Dimension

Boundary conditions

Prediction of thermal

stresses and strains with

high accuracy

Strain

Str

ess

Strain rate

ε1･

ε2･

T1

T2

T3

TemperatureS

tress

Strain TimeS

train

σ1

σ3

σ2

Stress

Modeling for inelastic behaviors of solder

using constitutive equation

Input

Input

熱ストレスシミュレーション接合の応力・信頼性解析


29

鉛フリーはんだの特性シミュレーション例

-40

-20

0

20

40

-2 -1 0 1 2

Temperature：-40℃

Creep curve

Time (s)

Stress：33MPa

26MPa

Temperature:-10℃

0 4000 80000

2

4

6

8

10

Strain (%)

Str

es

s (

MP

a)

ExperimentProposed modelConventional FEM model

0

10

20

30

40

50

0 0.5 1 1.5 2

0.01%/sec

Strain rate:0.1%/sec

Temperature：-10℃

Str

ain

(%

)

Str

es

s (

MP

a)

Strain (%)

Stress-strain curveCycle stress-strain

relation


30

インバータ・モータシステムのノイズ解析

グランド

サージ電圧

(拡大図)

サージ・リンギング電圧

(拡大図)

電圧

小

時間

高速ｽｲｯﾁﾝｸﾞ

デバイスSW波形

寄生インダクタンス浮遊容量

･･････

分布定数回路

IGBT Diode

電源

インバータ

モータ

分布定数回路発生源

グランド

電源電圧電源電圧

ケーブル


31

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

16.5 16.7 16.9 17.1 17.3 17.5 17.7 17.9

Time (sec.)

Coll

ecto

r C

urrent

(A)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Coll

ecto

r V

olt

age (

V)

Collector Current

Collector Voltage

Increasing the n- thicknessC

olle

cto

r C

urr

en

t(A

)

Colle

cto

r V

olta

ge

(V)

200

160

120

80

40

800

600

400

200

00

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Time(usec.)

デバイス構造とサージ電圧発生

IGBTターンオフ時


32

0

200

400

600

800

0.0 0.5 1.0 1.5

Time (usec.)

VA

K(V

)Conventional chip

New chip

0

Vsp=600V

Ipeak=200A

ダイオードのターンオフサージ


33

各トラップの準位・同定

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

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperature [K]

DL

TS

sig

na

l [a

rb.

un

its]

L.C.

H.C.H1

H2

E1

E2

E3

E4

正孔トラップ

hole traps

電子トラップ

electron traps

正孔トラップ

(EV+0.35eV)に関する

過去報告例

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


34

ワイドバンドギャップ半導体の開発と期待


35

新規パワーデバイスの研究

SiC半導体 GaN半導体ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ半導体

新構造Si半導体

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

？

新材料パワーデバイス


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(cm2/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

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）

Si４H-SiC

GaNJM

BM0

100

1000

性能指数

性能指数

500


37

SiC＆GaNデバイス最近の報告例

1

10

100

500 1000 5000

降伏電圧（V）

オン抵抗（m

Ω・c

m2）

0.5

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）

GaN-HEMT（ノーマリオフ特性）


38

Gate pad

Drain pad Source pad

横型GaNデバイス（サファイア基板）

GaNトランジスタの高温動作例


39

ZnBiSn Pb

CdTl

Au-Si

200 300 400

Au-Sn

有害

高価

各種材料の融点（℃）

候補材料

- Pb-Sn solders : Harmful

- Typical Pb-free solders

Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Cu

Melting points are around 220ºC

Bi (melting point is 270ºC) is candidate

Inferior properties of Bi

1) Brittleness

2) Weak mechanical strength

Novel Bi-based solder Bi with CuAlMn

鉛フリー高温接合材料


40

S. Kanechika et al, Jpn. J. Appl. Phys. 46, L503(2007).

VGS-Id Characteristics

縦型GaNデバイス

RONS =2.6 mWcm2


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

・高温動作・高負荷耐量

・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）

・冷却機構の簡素化・モジュールの小型化

・スイッチングデバイス・ダイオード

・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

・基板結晶を含む低コスト化ＨＶ車の普及

自動車に必要とされる パワーデバイス...2009年1月23日...

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