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パワー半導体・パワーデバイスとは

私たちの身の回りで活躍するパワー半導体

パワー半導体は、鉄道・自動車・インフラ・家電など身近なところで活躍する半導体で省エネを支えるキーデバイスです。パワー半導体は交流を直流に変換したり、ノイズの少ない電流に整流したり、電圧を上げたり下げたり、交流の周期を変えたりする半導体で、大電流、高耐圧、高スイッチング特性、低損失な特性のデバイスが求められます。

シリコンより損失が少ない化合物半導体ウエハ(SiC、GaN)

SiCはケイ素と炭素、GaNはガリウムと窒素の化合物です。SiCはSi 50%とC 50%の組成を有したダイヤモンドに次ぐ硬度の高い材料です。高強度で耐熱性に優れ、熱伝導性が高いなどさまざまな特性を併せもった、次世代の半導体材料としてますます期待されています。
SiCやGaNはシリコンのバンドギャップ1.12eVと比較してSiCは3.26eV、GaNは3.39eVとバンドギャップが広いため、 ワイドバンドギャップ半導体 とも呼ばれます。
ワイドバンドギャップ半導体は破壊電界強度が大きいという特長があります。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、高温動作、高電圧動作に加え、放熱特性も優れることから、シリコンよりチップを小さくする事にも有利なようです。熱伝導率はSiCはシリコンより優れ、GaNはシリコンより劣ってしまうのが欠点です。

パワー半導体材料特性

項目(単位) Si 4H-SiC GaN
バンドギャップ(eV) 1.12 3.26 3.42
電子移動度(cm2/v/s) 1350 1000 1200
絶縁破壊電界(MV/cm) 0.3 2.8 3
熱伝導率(W/cm/k) 1.5 4.9 1.3

SiC半導体はモータ駆動などの高耐圧、大電流用途に

SiC半導体は、ハイブリッド車や電気自動車のモーターを駆動させる電力変換装置 インバーター(直流のバッテリーから周波数・電圧制御された交流に変換)の高効率、小型化が可能なシリコンからの置き換えが進んでいます。高効率動作・省エネに向けSiCデバイスの開発が急ピッチで進められております。

GaNデバイスはスイッチング電源などの小型、高周波用途に

GaNは、SiCよりもさらに安定した結合構造を持ち、より絶縁破壊強度が高い材料です。USB Power Delivery (USB-PD)の規格化によりスマートフォンの急速充電や、ノートパソコンなどに対応する充電器が製品化されています。今後もGaNデバイスの普及が加速すると考えられます。

Ga2O3酸化ガリウムは

酸化ガリウムは、シリコン単結晶の製造と同じような製法でバルク単結晶を成長させることができます。気相成長(昇華法)させてウエハを製造するSiCや、シリコンやサファイア基板などの上にエピタキシャル成長させてウエハを製造するGaNと比較して、将来的にウエハ製造コストを低減できる可能性がある様です。パワーデバイスとして求められる性能(理論値)がシリコンよりも圧倒的に高く、SiC・GaNを超える優れた材料と注目をされています。

大口径(12インチシリコン)化進むパワー半導体

現在主流のシリコン半導体では12インチ(300mm)口径ウエハーを用いた量産が本格化しております。次世代パワー半導体と期待されるSiCウエハーは6インチ(150mm)から8インチ(200mm)口径へ移行しつつあります。日本のパワー半導体各社もカーボンニュートラルの実現の切り札とも言えるグリーンデバイス パワー半導体の生産効率の向上(コスト低減)をめざし、12インチライン構築の投資が次々に各社より発表され、急ピッチで建設が進んでおります。生産工程(前工程)設備のプロセス条件の確認テストや性能評価、設備の動作確認、検査等にダミーウエハ(テストウエハ)が使用されます。少ロットからの販売や成膜やダイシング、BG、CMP研磨や再生加工もお請け致します。またSi以外のサファイヤ、SiCウエハなどの取扱いや割れたウエハの救済ダイシングもお請けしております。

弊社が扱う湖南三安半導体有限公司(Hunan Sanan Semiconductor Co.,Ltd.)パワー半導体

湖南三安半導体は先端的な化合物半導体技術プラットフォームを備えた世界有数のファウンドリーサービス企業です。三安半導体はSBD,MOSFET、SiCパワーモジュールの製造、ならびに最先端のファウンドリーサービスを提供しています。
中国 湖南省 長沙市 ハイテク開発ゾーンに拠点を置くパワー半導体SiC/GaN専業メーカーです。全長1.4㎞のSiCパワー半導体のメガファブで、独自の研究開発と産業の協力を通じて結晶成長、SiC(炭化ケイ素)基板、エピ成長、チップの製造及びパッケージングまでを垂直統合し、お客様のニーズに応えるべき製品ラインアップを実現しています。
パウダー調合からデバイスのパッケージング及びテスト工程までのすべての管理、オートメーション化で生産能力の向上と厳格なコスト管理、国際品質基準をも現実化しつつある会社です。事業内容は、 /SiC(炭化ケイ素)結晶成長 /SiC(炭化ケイ素)基板 /SiCエピ成長 /チップ製造 /パッケージング /SBD /MOSEFT /SiCパワーデバイスモジュール /各工程ごとのファンドリービジネス /GaNファンドリービジネス と多岐にわたります。
当社はSiCウエハー(6インチ、8インチ プライム、ダミーグレード)の販売、SBD,MOSFETの販売及びファウンドリーのご提案をしています。 8インチSiC(炭化ケイ素)ウエハーも販売を開始しております。延び行くパワー半導体の検査、不良解析、熱解析、出荷用商材のみならず、素材やデバイスの販売でパワー半導体の発展を下支えしています。

湖南三安半導体製パワー半導体製品 ヤマトマテリアル
※当社は、湖南三安半導体有限公司のSBD、MOSFET、SiC(炭化ケイ素)ウエハー、エピウエハーの販売、並びに三安光電股分有限公司のminiLED、microLEDの国内販売代理店です。

弊社が扱うパワー半導体向け商品一例のご紹介

検査:大電流測定が可能なワイヤープローブ

ハイブリッド車や電気自動車には大電流が流れるパワー半導体が多数搭載されています。大電流測定用ワイヤープローブコンタクタは最小40μmピッチで配列することが可能で、極細ピンを多数配列する事で接触抵抗が分散され、1ピン当たりの荷重が小さく接触キズの心配がありません。太いプローブでコンタクトし大きな電流を流すより、安定した接続を実現し信頼性を向上させる事が可能となります。3,000A (パルス) 1,000A (DC)1の検査に使用頂けるコンタクターを提供しております。

評価:12ビットでリアルな波形を見る事が出来るオシロスコープ

高速な立ち上がり波形の測定には広い帯域と高いCMRR性能をもったプローブが必要となります。パワーエレクトロニクス分野で定評のあるレクロイの12ビット高分解能オシロスコープHDO4000シリーズとDL-ISO光アイソレーションプローブの組み合わせにより帯域~1GHz、入力電圧最大2500V、システムDC精度1.5%の高精度な測定を実現します。

出荷:パワー半導体チップ搬送時の欠け、割れを防ぐユニークなトレイポケット構造

薄い光学ガラスの搬送用トレイもワークへの接触や外形の欠け、割れや発塵などへの対策がとても重要です。これまでのユニークな構造設計がパワーデバイスのチップ搬送用トレイに生かされパワーデバイスの出荷は製造工程内で数多く流通しております。納入前のトレイやウエハケースのクリーン洗浄、クリーンウエアなどの精密洗浄の能力も増強中です。

消耗品:ダミー(テスト)ウエハ

パワーデバイスのウエハ工程や組立工程の各種設備のプロセス条件の確認テストや性能評価、設備の動作確認、検査等に使用されるウエハの総称です。評価確認用のウエハですのでパーティクルの管理値が高い高価な量産用のウエハ(プライムグレード)ではなく、これらの工程では安価なダミーウエハ(テストウエハ モニターウエハ)が使用されています。再生ウエハが使用される事もあります。一覧表でパーティクルや方位などをご確認頂き、問題無くお使い頂けるようでしたら在庫も御座いますので即納が可能です。MOQも25枚〜の小ロット対応も可能です。
※P型だけでは無くN型の準備も御座いますのでお声掛け下さい。

評価受託:パワーサイクル試験・環境試験・信頼性試験受託サービス

産業用ロボットや電気自動車ハイブリッド車などのキーデバイスであるパワーデバイス(パワーモジュール)の各部材の接合信頼性を評価する試験として採用されています。特に電気自動車やハイブリッド車のエンジンルーム内に配置される場合は、一般産業用パワー半導体に比べて格段に高いレベルの温度サイクル疲労に対する長寿命化が求められます。その動作寿命推定にパワーサイクル試験 (断続通電試験)が用いられます。パワーサイクル試験 パワーデバイス素子に、規定の電力を消費させ、決められた時間内で断続通電を 行い、試料の信頼性を評価します。同時に熱抵抗測定も可能で、そのデータをホストコンピューターに取りこみます。(IGBT、IPM、DIODEなどを受託対象としています。)
この他、JIS/JEDEC/MIL等の標準規格に準じた環境試験装置を使用し、様々なエレクトロニクス製品、部品、材料の信頼性評価受託試験を承ります。不良解析はSiC,GaNといった化合物半導体の解析にも対応しています。 HTOLカスタム装置のご提案も行っております。

検査・測定・表面処理

ダミーウエハ

  • 少ロットからの販売
  • 在庫を保有 即納可能
  • 成膜やBG、CMP研磨の受託
  • サファイヤ、SiCウエハなどもございます

プラズマ装置

  • 枚葉式プラズマ装置(6, 8,12インチ)
  • 省フットスペース
  • 大気搬送又はロードロック式
  • ステージ温調可能

大電流コンタクタ ワイヤープローブ

  • タングステン等のワイヤープローブ
  • 最小ピッチ40μmを実現
  • 多ピン配列で接触抵抗の分散と信頼性向上
  • 3,000A (pulsed) 1,000A (DC)対応

小型無風恒温槽

  • 最大-55℃〜250℃まで温度制御が可能
  • 高精度な温度分布を実現
  • サンプルの熱を吸収しながら温調が可能

薄膜応力測定装置

  • 非接触でウエハの応力や反りを測定
  • -65℃から500℃までの温度環境で測定可能
  • Windowsで簡単操作
  • 12インチサイズまで対応

オシロスコープ

  • 常時12ビットの垂直分解能を実現
  • 12.1インチのタッチパネル採用
  • スタイリッシュで省スペースなデザイン
  • デモ/Webプレゼンテーション承ります

AETP 大気圧プラズマ装置

  • 圧縮エアーからプラズマを生成
  • 回転ノズルで面(エリア)処理
  • ストレートノズルでスポット処理
  • オゾンの発生が少ない
  • 組込みしやすい小型設計

出荷・梱包資材

ウエハリング 樹脂リング

  • 金属よりも軽量、安価な樹脂製です
  • 小ロットでも提供可能
  • 6・8・12インチ用をラインナップ

ウエハリング(フレーム)シッパーケース

  • 6・8・12インチ用をラインナップ
  • ナチュラル(透明)/導電(黒)を選択頂けます
  • リユース時の精密洗浄も対応可能
  • リユース時の精密洗浄も対応可能

チップトレイ

  • 汎用からカスタム対応と幅広く対応
  • 光学製品にも対応
  • 精密洗浄後の出荷にも対応
  • 弊社保有のベース型で低コスト、短納期を実現

真空成型トレイ

  • 設計、材料選定、試作、量産まで一貫サポート
  • 一般規格品もございます
  • 出荷前の精密洗浄も可能
  • 圧空成形も可能

受託試験(パワーサイクル試験 不良解析)

信頼性試験(環境試験)受託

  • 恒温恒湿試験/恒温恒湿バイアス試験
  • 冷熱衝撃試験
  • 液槽冷熱衝撃試験
  • パワーデバイスのHAST試験

パワーサイクル試験受託

  • 産業用機器やHV EV自動車などのパワー デバイスやパワーモジュールの動作寿命信頼性を 評価する試験として採用されています。

不良解析(製品・故障解析)受託

  • 故障の把握 / 確認から始まり、電気的な測定 故障箇所の絞込みを経て、故障箇所の物理解析を 行い原因を明らかにして、工程にフィード バックする受託分析サービスです
2024年2月29日更新
エレクトロニクス
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