高信頼・低損失パワー半導体モジュールを実現するナノコンポジット封止絶縁技術の開発｜国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

現行の封止絶縁材料では到達できない革新的な高耐圧性能である耐圧1.5倍以上を目指す

洋上風力発電の発電電力を効率よく流通する次世代電力ネットワークの構築には、交直電力変換設備に用いられる必須の部品であるパワー半導体モジュールの高信頼性と低損失化が必要になります。次世代パワー半導体素子として期待される SiC 素子は、内部電界が現行 Si 素子に比べて一桁以上高い電界で動作するため、素子表面を封止する絶縁材料に高い電界ストレスが加わります。そこで、封止絶縁材料の高耐圧化が極めて重要な課題となります。本研究では、封止絶縁材料に酸化物ナノフィラーを添加・分散したナノコンポジット封止絶縁材料を開発し、高耐圧化 1.5 倍以上の達成を目指します。高耐圧化の技術的ネックとなる凝集体欠陥サイズを遠心分離により制御する独自技術をもとに、凝集体欠陥サイズ評価と材料パラメータ探索に機械学習を導入した材料開発プロセスを構築し、新規高耐圧封止絶縁材料を実現します。

電力変換設備に用いる高信頼・低損失パワー半導体モジュールを実現

現在、パワー半導体モジュールの封止絶縁材料として、シリコーンゲルが使用されています。シリコーンゲルは、シリコン系の高分子樹脂材料であり、素子を外部環境(高電圧、湿度、温度変化による機械的ストレスなど)から保護する役割を担っています。3.3 kV以上の高耐圧性能(3.3 kV、6.5 kV、10 kV)を有するパワー半導体モジュールを実現するためには、シリコーンゲルに代わる高耐圧封止絶縁材料の開発が必須となります。さらに、封止絶縁材料の高耐圧化により、パワー半導体素子周辺部の絶縁距離の短縮、すなわち通電領域(エミッタ電極)の拡大を実現することができるため、損失の低減の面からも求められています。この損失低減効果を、IGBTチップ終端モデルをもとに試算したところ、耐圧1.5倍の達成により素子損失低減17%が実現し、損失低減効果が極めて大きいことが明らかになりました。また、高耐圧化したナノコンポジット封止絶縁材料を既存のパワー半導体モジュールに適用すれば、その信頼性の大幅な向上が実現されます。