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次世代パワー半導体の熱設計と実装技術

Thermal Design and Packaging Technology for WBG Power Semiconductors

★ SiCやGaNなどWBGパワー半導体の開発について、熱設計の観点から解説した1冊!
★ 高温動作・高速動作・高耐圧・低損失を可能にするSiCパワー半導体は、EV分野での実用化も進む!
★ 車載パワーモジュールのさらなる高出力密度化が求められており、熱設計技術の開発は喫緊の課題!

商品概要

略称
次世代パワー半導体
商品 No.
bk7747
発刊日
2020年01月31日(金)
ISBN
978-4-7813-1436-5
体裁
B5判、304ページ
価格
73,700円(本体価格:67,000円)
送料
当社負担(国内)
発行
(株)シーエムシー出版
問い合わせ
Tel:03-5857-4811 E-mail:info@rdsc.co.jp 問い合わせフォーム
監修
菅沼克昭
著者
菅沼克昭  大阪大学
藤島直人  富士電機㈱
山口浩  産業技術総合研究所
山田靖  大同大学
神谷有弘  ㈱デンソー
寺島知秀  三菱電機㈱
立花芳恵  千住金属工業㈱
西川宏  大阪大学
谷本智  ㈱日産アーク
山下真理  ㈱日産アーク
鈴木達広  ㈱日産アーク
髙橋昭雄  横浜国立大学
平松星紀  三菱電機㈱
大塚恵子  大阪産業技術研究所
有賀善紀  KOA㈱
竹馬克洋  ㈱サーモグラフィティクス
平尾喜代司  産業技術総合研究所
宮崎広行  産業技術総合研究所
中島智彦  産業技術総合研究所
伊藤武  KOA㈱
永田久和  KOA㈱
松井貴弘  KOA㈱
土屋哲男  産業技術総合研究所
西澤克秀  KOA㈱
加藤史樹  産業技術総合研究所
若杉直樹  ヤマト科学㈱
竹下一毅  ヤマト科学㈱
長尾至成  大阪大学
佐藤直樹  大阪大学
大浦賢一  ㈱先端力学シミュレーション研究所
杉浦和彦  ㈱デンソー
田村正佳  三菱電機㈱
井手拓哉  ㈱ロータス・サーマル・ソリューション
西村隆  三菱電機㈱
大井健史  三菱電機㈱
篠田卓也  ㈱デンソー
羽鳥仁人  ㈱ベテル
小西祐一郎  元 ㈱日立製作所
西原淳夫  ㈱日立製作所
発刊にあたって
 EV市場におけるSiCパワー半導体の量産実用化が、遂に米国を皮切りに始まった。SiCの実用化自体は既に日本でも始まっていたが、電気自動車の出荷台数こそ限定的であるものの、一般庶民に手が届く価格帯での実用化のインパクトは大きい。そのSiC半導体は、欧州に拠点のある大手半導体メーカーである。一方、HEMT型GaNの実用化も着実に開始している。今日の目玉は、スマートフォンなど携帯情報機器のチャージャーであり、これはチャージャー小型化を待ち望んでいた全ての人に朗報になった。このため、一時は世界的にGaNチャージャーが入手困難な状況となっていた。販売開始から1年を経て類似製品が複数社から供給されるようになり、これこそ誰でもが実感できる嬉しい実用化になっている。このGaNパワー半導体も、残念ながら日本ではなく米国、カナダのベンチャー企業である。このように見ると、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップパワー半導体開発で先行していたはずの日本が、何時の間にか後手を踏む立場になってしまっている。この状況には様々な理由があるが、この分野に関わる技術者としては、少々、忸怩たるものがあることは否めない。
(中略)
 実装技術は物造りの基本であるとともに、簡単にデジタル技術には落とし込めないノウハウの塊でもある。これは幸いなことであり、機器の魅力的なパフォーマンスと共に、信頼できる物造りをこれからの時代にも心掛けたい。それが摺り合わせ技術の得意な我が国に根付くはずで、世界初の信頼できる物造りを日本から発信することが叶うだろう。本書は、日本語で書かれた技術書であるので、いきなり海外へ情報が流れる類いのものではない。各分野の最先端の技術開発を担う方々に貴重な技術情報をご提供頂いているので、是非とも本書を活用して頂き、それぞれの新技術開発へ繋げて頂きたいと願っている。

菅沼克昭
(本書「はじめに」より抜粋・改変)
書籍・DVDの内容
第1章 実装技術の現状と展望

1 パワーデバイス高性能化の最前線と今後の展望
1.1 はじめに
1.2 SiC
1.3 RC-IGBT
1.4 RB-IGBT
1.5 あとがき
2 SiCパワー半導体の現状と周辺材料への期待
2.1 はじめに
2.2 基本となる実装構造
2.3 SiC素子の性能を引き出す実装技術
2.4 SiCパワー素子の先進実装例
2.5 おわりに
3 パワー半導体実装用接合技術の開発動向と特性評価
3.1 接合技術の開発動向
3.2 接合部の特性評価
4 車載電子製品およびパワーデバイスの実装・放熱耐熱技術
4.1 車載電子製品への要求
4.2 車載電子製品の特長
4.3 車載電子製品の小型化技術
4.4 車載電子製品の実装技術と熱設計
4.5 車載電子製品における小容量パワーデバイスの実装技術
4.6 電動車両におけるインバータのパワーデバイス実装・放熱技術
4.7 将来に向けて
5 モビリティの電動化におけるSiCパワーデバイスによる性能向上への期待
5.1 パワーデバイスに求められる動作
5.2 パワーデバイスの発展の歴史
5.3 高性能が製品競争力となる用途
5.4 IGBTとSJ MOSFETの特徴
5.5 SiC MOSFETの特徴
5.6 短絡耐量 ─パワーデバイスに特有の要求仕様─
5.7 SiC MOSFETの性能の定量的比較 ─オン抵抗─
5.8 SiC MOSFETの性能の定量的比較 ─ターンオフロス─
5.9 SiC MOSFETの性能の定量的比較 ─ターンオフ時間─
5.10 今後の方向性とまとめ

第2章 はんだ・焼結結合

1 パワー半導体向け高温鉛フリーはんだ接合技術の開発
1.1 はじめに
1.2 パワー半導体素子を支える接合材料
1.3 高温鉛はんだと環境規制
1.4 環境規制対応 高温鉛フリーはんだ
1.5 パワー半導体向け高温鉛フリーはんだ
1.6 実装材料の今後
2 次世代パワーモジュールのための耐熱実装技術 ─Ag焼結接合の可能性と展開─
2.1 焼結接合
2.2 Ag焼結接合技術
2.3 Agの低温焼結メカニズム
2.4 これから
3 ナノ-マイクロサイズCu粒子を利用した高耐熱接合技術
3.1 はじめに
3.2 ナノ粒子による焼結型接合プロセスの概要
3.3 Cuナノ粒子を利用した焼結型接合
3.4 マイクロサイズのCu粒子を利用した焼結型接合
3.5 まとめ

第3章 樹脂材料

1 電動自動車インホイールモータ内蔵パワーモジュールの熱機械設計
1.1 はじめに
1.2 HBPMの熱機械設計
1.3 アセンブリ設計とHBPMの試作
1.4 まとめ
2 車載パワーエレクトロニクス用高耐熱樹脂の開発と封止材への応用
2.1 パワーデバイスと実装技術動向
2.2 パワーモジュール実装材料評価用プラットフォーム
2.3 封止材料
2.4 SiCパワーモジュール用実装材料評価
2.5 材料評価の課題と対策
2.6 空冷・高温動作パワーモジュール用実装材料開発支援プロジェクトKAMOME A-PJ
3 パワー半導体の高耐熱,高放熱パッケージ技術と樹脂材料への要求特性
3.1 パワーモジュールの構造と放熱材料のニーズ
3.2 エポキシ樹脂/窒化ホウ素フィラーの複合化による高熱伝導化
3.3 絶縁信頼性
3.4 高耐熱化
3.5 パワーモジュールへの応用
4 靭性に優れたビスマレイミド樹脂の開発とパワー半導体実装材料への応用
4.1 はじめに
4.2 チオール変性ビスマレイミド樹脂
4.3 封止材料への応用

第4章 基板

1 小型表面実装部品のための基板放熱を利用した熱設計
1.1 はじめに
1.2 電子機器の小型化と熱問題
1.3 基板放熱設計の指針
1.4 パターン形状と熱抵抗の関係
1.5 まとめ
2 グラファイトを用いた高熱伝導基板およびヒートスプレッダーの開発
2.1 はじめに
2.2 高熱伝導グラファイトの特徴や構造
2.3 高熱伝導グラファイトの複合化技術
2.4 熱対策部品への活用について
2.5 評価
2.6 まとめ
3 SiCパワーモジュールのための高熱伝導窒化ケイ素回路基板
3.1 はじめに
3.2 メタライズセラミック基板の種類
3.3 メタライズ放熱基板の残留応力と使用環境下での熱応力
3.4 苛酷な温度サイクル下でのメタライズ放熱基板の信頼性評価
3.5 試験結果と耐温度サイクル性の指標
3.6 まとめ

第5章 受動部品

1 高耐熱抵抗器用電極金属多層膜の開発
1.1 はじめに
1.2 抵抗器多層膜電極の高温劣化挙動
1.3 多層膜金属電極の劣化機構と高耐熱性付与の実現
1.4 おわりに
2 高信頼性厚膜チップ抵抗器の開発
2.1 はじめに
2.2 厚膜チップ抵抗器の種類
2.3 センシング回路に必要な高信頼性チップ抵抗器
2.4 高信頼性厚膜チップ抵抗器の開発
2.5 高信頼性厚膜チップ抵抗器を使用する際の回路特性上の確認事項
2.6 まとめ

第6章 パワーモジュールの耐熱信頼性と熱特性評価

1 次世代パワーモジュールの熱設計・劣化評価─SiCパワーデバイスに対応した過渡熱解析技術─
1.1 過渡熱解析法によるパワーモジュールの熱抵抗分析
1.2 Static法による過渡熱抵抗測定と過渡熱解析法による熱抵抗分析
1.3 温度サイクル試験によるパワーモジュールの構造劣化および過渡熱抵抗解析による劣化箇所特定
1.4 まとめ
2 SiCマイクロヒーターチップを用いた実装構造の熱特性評価
2.1 SiCマイクロヒーターチップの開発
2.2 高精度定常熱抵抗測定の手法
2.3 熱抵抗測定結果の例
3 定常熱伝導測定法によるデバイス界面熱特性評価
3.1 はじめに
3.2 定常熱伝導測定法の測定原理
3.3 熱伝導率の測定精度
3.4 デバイス界面の伝熱特性評価
3.5 まとめ
4 実験・シミュレーション融合した次世代パワー半導体の信頼性解析
4.1 はじめに
4.2 伝熱-構造連成シミュレーションの枠組み
4.3 寿命予測式
4.4 焼結銀の材料構成パラメータ取得の実例
4.5 焼結銀接合材料の寿命予測パラメータの評価事例
4.6 分散分析による材料パラメータ因子の評価
4.7 まとめ

第7章 冷却・放熱

1 SiCを用いた両面冷却パワーモジュールの開発
2 パワー素子用水冷ヒートシンクの性能解析手法と測定
2.1 水冷ヒートシンクの概要
2.2 3次元解析による水冷フィンの性能予測
2.3 水冷フィンの冷却性能試験
3 ロータス金属ヒートシンクを用いたパワーモジュールの開発
3.1 一方向性気孔をマイクロチャンネルとして利用する際の冷却メカニズム
3.2 ロータス型ポーラス金属の特徴
3.3 水冷ロータスヒートシンク
3.4 空冷ロータスヒートシンク
4 パワーモジュールの放熱性・信頼性向上技術〜エポキシ封⽌技術を中⼼として〜
4.1 パワエレ機器の高パワー密度化
4.2 高放熱化技術
4.3 高信頼化技術
5 高度化・高精度化するパワーエレクトロニクス放熱設計
5.1 はじめに
5.2 DNRCモデルとDSRCモデル
5.3 モデルの活用例
5.4 おわりに
6 実用材料の熱拡散率異方性および分布測定手法
6.1 はじめに
6.2 熱物性顕微鏡による微小領域の熱物性分布測定手法
6.3 レーザースポット加熱放射測温法による熱拡散率異方性および分布測定
7 熱伝導グリースの信頼性
7.1 はじめに
7.2 グリースのポンプアウト現象の可視化実験方法
7.3 検証結果および考察
7.4 結言