チップ搭載の IM 6 in 1 IGT モジュール系列 IM 6-in-1 IGT Module eries Equipped with -eries Chips 関野裕介 Yusuke ekino 村井智哉 Tomoya Murai 丸山力宏 Rikihiro Maruyama ECOOIM C - ACK では, 複数の回路を一つのパッケージに納めることにより,IGT(Insulated Gate ipolar Transistor) モジュール小型化という市場要求に応えてきた 最新の は電流容量の拡大と顧客にお ける設計の柔軟性を高めることを狙って開発し, 系列化した 高放熱性絶縁基板の適用や多様なピンレイアウトのパッケー ジ開発により, 同一のパッケージで電流容量の拡大と顧客の C(rint Circuit oard) 設計の自由度を上げた また, ソ ルダフリーによる C 実装が可能なプレスフィットピンモジュールの開発により, 多様なニーズ対応を可能とした ECOOIM /C-ACK series has been responded to market requests for smaller module size of IGT (insulated gate bipolar transistor) by integrating multiple circuits into a single package. ew -series was developed as a series aiming to achieve power range expansion and flexibility of customer design. y adopting insulated substrate which has high thermal conductivity and several types of pin layouts, larger current ratings than with a conventional package and flexible C (printed circuit board) design for our customers were established. Moreover, a new press-fit pin terminal has been developed for the solder-free assembling to the C, and enables to support various requirements. 富士時報 ol.83 o.6 2010 特集1 まえがき富士電機は,1988 年に IGT(Insulated Gate ipolar Transistor) を製品化して以来, 世代交代を重ね, 着実に低損失化, 小型化を成し遂げることで市場の要求に応えてきた 装置の小型化を可能にした手段の一つに,IM(ower Integrated Module) や 6 in 1 モジュールに代表されるモジュール化が挙げられる IM は, インバータ, ブレーキ, コンバータ回路を一つのパッケージに集積したパワーモジュールである 6 in 1 は, 三相インバータ回路を一つに集約したモジュールである 注 今回,IM タイプの ECOOIM 系列,6 in1 タイプの C - ACK 系列を紹介する これらは, パッケージの開発による端子配列自由度の向上と高放熱性絶縁基板の適用による電流容量拡大によって, モジュール駆動回路設計の自由度を向上させ, さらなる小型化を実現した新しい系列である また近年, エレクトロニクス実装において, 環境への配慮や生産性の向上を狙いとしたソルダフリー実装タイプのパッケージへの要求が強まっている そこで, 富士電機は, これまでのソルダ実装タイプの系列に加えて, ソルダフリー実装が可能なプレスフィットピンモジュールを開発した 前述の各種モジュールに, 最新の第 6 世代 IGT チップを搭載した新しい系列化を行った 本稿では, 最新の第 6 世代 の各種ソルダマウントタイプの ECOOIM C - ACK, ソルダフ 379( 23 ) リー実装が可能なプレスフィットピンモジュールを開発し, モジュールの幅広い選択が可能になったので紹介する 2 チップ搭載の ECOOIM C-ACK 系列の端子配列と電流定格 従来の ECOOIM C - ACK 系列のケースは, 成 形時に端子 ( ピン ) を挿入し固定しているケース構造なの で, 端子配列の自由度がなかった これに対し, 図 1 に示 すように新規開発パッケージは, アセンブリ技術の向上と 新パッケージ構造の適用により, 各種端子はモジュール組 立時にケースに端子を固定できるようになったため, 端子 配列の自由度が向上した 表 1 に,ECOOIM C - ACK の従来と における系列を示す 従来に対して, 豊富な端子配列の中から選択が可能なことに加え, 電流容 量が高い系列をそろえている これは, 最新の シリー ズチップと, 従来品よりも熱伝導率の高い高放熱性絶縁基 板を用いることにより達成した 図 ₂ に,ECOOIM 系列における端子配列と, 各種 端子配列に対するパワーフローを示す 図 ₂ から分かるよ うに, 数種類の端子配列をラインアップしたことにより, 注 ECOOIM : Infineon Technologies AG の商標または登録 商標 図 ₁ パッケージ端子部の比較
富士時報 ol.83 o.6 2010 特集 チップ搭載の IM 6 in 1 IGT モジュール系列 表 ₁ ECOOIM C-ACK 系列 モジュール IM 6 in 1 第 4 世代 第 5 世代 U 第 6 世代 第 4 世代 第 5 世代 U 第 6 世代 ピンタイプソルダソルダソルダプレスフィットソルダソルダソルダ プレスフィット 系 列 A A M R A * 1 * 1 X Y Z A A X 10 A 15 A 25 A 35 A 1,200 50 A 75 A 100 A 150 A 150 A + * 2 150 A++ * 3 30 A 50 A 600 75 A 100 A 150 A : ラインアップ : 最新の チップによるラインアップ : 最新の チップと高放熱性絶縁基板技術の適用による新たな電流容量のラインアップ : 今回の開発 *1 : 開発中 *2 :Ic(continuous)=150 A,Icp(1 ms)=400 A, 低熱抵抗タイプ *3 :Ic(continuous)=150 A,Icp(1 ms)=400 A, 高放熱性絶縁基板を適用した高放熱性タイプ M() R T U R T U TC (X) C C C C R TC R TC (Y) T U T R(Z) U A TC R T U TC R T U 電 パワーフロー AC(RT 端子 ) C( 端子 ) AC(U 端子 ) 図 ₃ プレスフィットピン挿入図 図 ₂ ECOOIM における端子配列とパワーフロー インバータの設計に応じてパワーフローを選択することができるようになった 3 プレスフィットピンモジュールの特徴これまで述べてきた ECOOIM C - ACK は端子を C(rinted Ciruit oard) に実装するには, はんだ付けする必要があった 組立工程を簡素化するため に, 環境に配慮したソルダフリー実装に対応したモジュールの需要が, 近年高まってきている このようなソルダフリー実装需要に対応したモジュールの一つとして, プレスフィットピンモジュールがある プレスフィットピンモジュールは図 ₃ に示すとおり,C へのプレスフィットピンの圧入を利用することによって, ソルダフリーで C へ実装できるようにしたモジュールである 今回新たに開発したプレスフィットピンモジュールの外観を, 図 ₄に示す 380( 24 )
富士時報 ol.83 o.6 2010 特集 チップ搭載の IM 6 in1 IGT モジュール系列 ₃.₁ プレスフィットピンモジュール実装方法プレスフィットピンモジュールのプレスフィットピンを C に圧入で実装し, 信頼性を確保するためには, プレスフィットピンの挿入法や挿入速度,C において推奨の仕様で実装する必要がある 推奨仕様以外での実装ではプレスフィットピンと C 間の圧力が強すぎると C に損傷を与える可能性があり, 圧力が弱すぎるとコンタクトができず信頼性も確保できなくなる また, 端子と C が直接接触するため, コンタクト部の C 保護や安定した接触抵抗を確保するための推奨のめっき素材やめっき厚, ホール径がある C は, IEC 60249 もしくは IEC 60249-2 - 5(2 層タイプ ) に準拠して検証した プレスフィットピンモジュールは専用のプレス装置 ( 図 ₅) と推奨 C を用いて, 端子挿抜の圧力と速度を調節して実装する必要がある 図 ₆に, プレスフィットピンモ ジュール用推奨 C の仕様を示す ₃.₂ プレスフィットピンモジュールの接触抵抗ソルダフリー実装に求められる主要な特性として, 次の 2 点が挙げられる C に実装したときに接触抵抗が安定していること 環境ストレスを受けた場合に対しても,C とモジュールの接続が確保されていること図 ₇ に, プレスフィットピンモジュールの信頼性試験の一環である振動試験後の接触抵抗を示す 振動試験前後での接触抵抗の増加は最大 0.03 mωであり, ほとんど変 リル ール 2 35 mm スルー ール 2 2 mm(+0 0 0 06) n 15 m Cu 25 m Cu 35 m C C 1 6 2 0 mm ( : R-4) ncu ( 端部 ) プレスフィットピン C1 4+i ( ) 最 最 リル ール ー 2 35 ー スルー ール 2 14 2 20 2 2 Cu 25 m ーー n ーー 15 m 図 ₄ プレスフィットピンモジュールの外観 70 m Cu 35 m ー 105 m C 1 6 2 0 ー 図 ₆ プレスフィットピンモジュール用推奨 C の仕様 接触抵抗 (m ) 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 n 210 試験 :10 500 スイープ時 :15 min :100 m s 2 :3 (X,Y,Z ) 時 :6 ( 2 時 ) 試験後 0 1 0 0 30 60 0 120 150 1 0 210 ピン 図 ₅ プレスフィットピンモジュール実装用プレス装置の例 図 ₇ 振動試験後の接触抵抗評価 381( 25 )
富士時報 ol.83 o.6 2010 特集 チップ搭載の IM 6 in 1 IGT モジュール系列 電流容量 15 25 35 50 75 100 150 200 225 300 400 450 550 600 00 1,400 ピン *1 ECOOIM 2(IM) ECOOIM 3(IM) ECOOIM 2 C-ACK2 ECOOIM 3 C-ACK3 C-ACK2(6 in1) C-ACK3(6 in1) ソルダ t n 34 mm(2 in1) t n 45 mm(2 in1) u XT(2 in1) t n 62 mm(2 in1) t n 0 mm(2 in1) t n 62 mm(1in1) u XT(2 in1) t n 62 mm(2 in1) *2 ECOOACK +(6 in1) 新 容量 2 in1(2 in1) スプリン u XT(2 in1) ソルダフリー プレスフィットピン ECOOIM 2(IM) ECOOIM 3(IM) p in u C-ACK2(6 in1) C-ACK3(6 in1) 量 開発中 *1:ECOOIM :In n on T c no o i s AGの た *2:ECOOACK +:In n on T c no o i s AGの た 図 ₈ の系列 (1,200 系 ) 化がないことが分かる 本振動試験をはじめとして,IEC 60352 規格に準拠した信頼性試験を実施し, すべて満足する結果が得られている 4 IGT モジュールの全体系列 ₄.₁ IGT チップの特徴 IGT チップの特徴を次に示す フィールドストップ (F) 構造とトレンチゲート ⑴,⑵ 構造の最適化による総損失の低減 ⑴,⑵ T j =175 での動作保証 (Tj(max) =175,T j(op) = 150 ) ⑴,⑵,⑶ 損失とノイズのトレードオフの改善 ⑴,⑵ ゲート抵抗によるターンオン di/dt 制御性の向上 ₄.₂ の系列図 ₈ に 1,200 クラスの IGT モジュールの系列表を示す 現在 IGT チップを適用したモジュールは, 耐圧 1,200 に対して,25 1,400 A という広範囲な電流容量および多彩なパッケージ系列で製品化されている これまでに述べてきたように, のモジュールでは C への実装をはんだ付けで行うピン端子タイプ, C への圧入による実装を可能としたプレスフィットピンタイプを系列化した また, ソルダフリーモジュールの一つであるスプリングコンタクトモジュール ⑷ も系列化している このほかに,600 900 A の大容量 2 in 1 なども系 列化を予定している このように多彩なピン, 端子配列およびパッケージを系列化することで, さまざまなエレクトロニクス機器への適用を可能とした また, プレスフィットピンモジュールやスプリングコンタクトモジュールなどのソルダフリーモジュールに加えて, 小容量向けにさらにモジュール実装が容易なソルダフリータイプモジュールの開発を検討中である 5 あとがき富士電機の最新の第 6 世代 IGT チップを搭載した ECOOIM C - ACK モジュールのソルダ実装タイプとプレスフィットピンモジュールを中心に, IGT モジュールのピンタイプ, パッケージタイプの系列について紹介した 本製品は, 最新の半導体技術とパッケージング技術を駆使して開発したものである お客さまの C 設計の自由度, 組立工数の削減および環境保護などのさまざまな要望に対して幅広い選択肢を提供するものである 今後, 富士電機では市場の多様なニーズに対応していくため, モジュール系列をさらに拡大していく所存である 参考文献 ⑴ 仲野逸人ほか. 第 6 世代 IGTモジュール IM. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.388-392. 382( 26 )
富士時報 ol.83 o.6 2010 特集 チップ搭載の IM 6 in1 IGT モジュール系列 ⑵ 高橋孝太ほか. IGT モジュール の系列化. 富士時報. 2009, vol.82, no.6, p.380-383. ⑶ Igarashi,. et al. Low EMI Techniques for ew Generation IGT Modules. roc. CIM. Europe. 2007 owermodule p.13-17. ⑷ 兼田博利ほか. U4IGT スプリングコンタクトモジュール. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.393-396. 村井智哉 IGT モジュールの開発 設計に従事 現在, 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導体統括部モジュール技術部 関野裕介 IGT モジュールの開発 設計に従事 現在, 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導体統括部モジュール技術部 丸山力宏 IGT モジュールの構造開発 設計に従事 現在, 富士電機システムズ株式会社半導体事業本部半導体開発センターパッケージ開発部 383( 27 )
* に されている および は, それぞれの が する または である があります