炭化ケイ素モジュールの産業技術と応用トレンド
シリコンベースのパワーデバイスやモジュールは大電力用途で仕様要求に追いつかず限界に達しており、研究者は化合物半導体から適切な材料・技術を探っている。炭化ケイ素（SiC）はワイドバンドギャップ、高絶縁破壊電圧、高熱伝導率、高絶縁性、高電力密度といった主要特性を兼ね備え、電子デバイス用途では高速スイッチング・高温耐性・高耐圧などの機能を発揮する。高周波・高電力デバイスやモジュール実装プロセスでも理想的な熱膨張係数を備え、高周波・高電力・高放熱要求の用途に最適な選択肢である。本稿ではパワーモジュール向け化合物半導体の開発トレンド、電圧用途要件と市場動向、モジュール実装に必要な材料市場の成長トレンドを論じる。
電圧要件で見るワイドバンドギャップ材料の適用範囲
Siベースのパワーデバイス・モジュールは大電力需要に対し限界が表れており、ワイドバンドギャップは化合物半導体の特徴であるため、研究者は化合物半導体から適切な材料・技術を見出そうとしている。現在、窒化ガリウムトランジスタ（GaNトランジスタ）は600V以下の関連用途のパワーデバイスに適し、600〜1,200Vの用途ではSiCトランジスタやモジュールが担い始めている。この範囲は今日のGaNトランジスタ市場でもある。回路設計を工夫すればGaNモジュールは900Vまで対応可能であり、600〜900V市場では各社の設計力競争で製品が市場で併存し得るが、1,200V付近、さらに1,700V以上ではSiCトランジスタが主戦場となる。
GaN-on-SiCは高周波HEMT（High Electron Mobility Transistor）に適し、SiC-on-SiCはSBDやFETといったパワー半導体に用いられる。SiC-on-SiCはSBDやFETが電源用途に展開し始め急速に成長している。2025年以降にHEV市場での全面採用が進めば、さらなる成長が見込まれる。SiCのパワーデバイス用途は600〜900V市場が主流で、800VバッテリーEV、太陽光発電システム、EV急速充電器の普及により1,200V SiC結晶も急成長が期待される。
SiC基板のパワーデバイスは主に6インチウエハで、2017年から主流となった。SiCと競合するSiパワーデバイス（MOSFETやIGBT）は主に8インチウエハを用いる。SiC-SBDがSiCパワーデバイス市場の成長を牽引し、サーバ電源など通信機器、EV充電ステーション、車載充電器など自動車分野を中心に市場が拡大している。
パワーデバイス・モジュール実装でよく使われる材料
半導体パッケージングの世界では、1チップを封止するものを「デバイス」、2チップ以上を回路設計を含めて封止するものを「モジュール実装」と呼ぶ。デバイス実装ではチップをダイアタッチ接着剤でリードフレーム中央の基板に固定し、ワイヤボンディングでリードフレームのピンに接続、最後にモールド材で封止する（図4(a)）。回路が単純なため、放熱はリードフレームのピンを利用するだけで対応できる。
図4 (a) パワーデバイス；(b) モジュール実装構造
一方モジュール実装、特に高電力モジュールでは放熱対策が重要となる。電源モジュールの一般的な故障は熱サイクルに起因し、CTE（熱膨張係数）の不一致で基板と接合材料層が剥離したり、モジュール内のゲルや樹脂が高温に耐えられず故障に至る。図4(b)のように、チップ間の電気接続のための金属ワイヤに加え、ダイアタッチ材でDBC（Direct Bonded Copper）基板に固定し、さらに基板を接着材でベースプレートに固定、最外層にサーマルグリースを熱界面材料として用い、ヒートシンクへ密着させて熱管理を備えたパッケージモジュールが構成される。
炭化ケイ素（SiC）の産業構造
SiCはワイドバンドギャップ、高電力密度、高絶縁破壊電圧、良好な熱伝導率を持つため、現在のパワーデバイスおよび高周波基板の第一選択である。SiC単結晶デバイスおよびパワーモジュールに至る産業構造を図7に示す。SiCはパワーモジュールの主チップとして、また高周波通信用エピタキシャル基板としても用いられるため、産業構造はパワー半導体とRF半導体の2系統に分けて表現する必要がある。
図7 炭化ケイ素ウエハの世界産業構造図
高電力・高周波向けSiCウエハの世界生産では、Cree、II-VIが著名で、SiCrystalは高電力で知られる。台湾国内ではGlobalWafers（環球晶）、WIN Semiconductors（穏晟）、Tankeblue（太極／盛新）、Hermes（漢民）などがある。Cree（現Wolfspeed）のウエハ販売は外販と自社使用に分かれ、外販ではCreeが約70%のシェアを持つ。STマイクロエレクトロニクスは長期SiCウエハ供給計画（2.2億ドル）を持ち、ON SemiconductorおよびInfineonと8,500万ドルの6インチウエハ供給契約を締結している。
IEKView
化合物半導体SiCは高周波（5G/B5G/6G）・衛星通信、IoT（スマートシティ）、高電力─EV/xEVモータ・グリーンエネルギーなど新興産業の重要材料であるが、SiCの発展には依然多くの課題があり、下流の応用などが含まれる—以上は一部抜粋であり、詳細は添付ファイルを参照されたい。
★本稿は『工業材料雑誌』第435号からの抜粋です。詳細は添付ファイルをご参照ください。