作り方と信頼性：製造、パッケージ、試験

パワー半導体の作り方と、長く安定して使えることを確かめる考え方を説明する。ウェーハを薄くして裏側に電極を付ける製造、大電流と放熱に向くパッケージとパワーモジュール、耐圧や切り替えを調べる試験、熱の繰り返しなどの信頼性の試験を扱う。

作り方も、論理回路とは違う

パワー半導体も、ウェーハの上に、成膜、リソグラフィ、エッチング、イオン注入などの工程で作る。基本は、論理回路の工程と同じである。ただし、電気を縦に流し、大きな電気と高い電圧を扱うので、工程にも、パッケージにも、試験にも、特有の点がある。このページでは、それらを順に見ていく。

ウェーハを薄くして、裏側を作る

電気を縦に流すパワー半導体では、ウェーハの裏側にも、電極や、不純物の層が必要になる。表側の回路を作り終えたウェーハを、裏側から削って、薄くする。薄くするのは、電気が通る距離を短くして、入のときの抵抗を下げるためである。

薄くしたウェーハの裏側に、不純物を打ち込み、熱処理をして、IGBTのp型の層などを作る。そして、金属の膜を付けて、裏側の電極にする。薄いウェーハは、割れやすく、反りやすいので、扱いに注意が要る。

材料による、工場の違い

シリコンのパワー半導体は、論理回路と近い設備で作れるので、大きなウェーハで効率よく作れる。炭化ケイ素や窒化ガリウムは、結晶の育て方や、熱処理の温度が違い、専用の装置や条件が必要になる。ウェーハの大きさも、シリコンほど大きくない。この違いが、費用に表れる。

大きな電気と熱を扱う、パッケージ

パワー半導体のパッケージには、大きな電流を流す太い配線と、チップの熱を逃がす構造が求められる。チップを、熱をよく伝える絶縁の基板の上に載せ、金属の放熱板に固定する。配線には、太い金属の線や、金属の板を使うことがある。チップと基板の接合には、はんだや、金属の粒を焼き固めた材料が使われる。

複数のチップを、一つのパッケージにまとめたものを、パワーモジュールと呼ぶ。インバーターには、スイッチが複数必要なので、それらを一つのモジュールにまとめると、配線が短くなり、扱いやすくなる。高い電圧に耐えるため、チップのまわりは、絶縁の樹脂やゲルで固める。

試験：耐圧と、切り替え

完成したチップは、試験で確かめる。まず、耐圧の試験である。高い電圧をかけて、漏れる電流を測り、決められた耐圧を満たすかを調べる。次に、入のときの抵抗や、スイッチの切り替えの性質を測る。大きな電流を流すので、試験の装置の針も、大きな電流に耐えるものが要る。

試験は、ウェーハの状態と、パッケージにした後の、両方で行う。高い温度や、低い温度でも、性質が変わらないかを確かめる。

信頼性：長く使えるか

パワー半導体は、車や、鉄道、電力の設備のように、長い期間使われる。そのため、長く使っても性質が変わらないことを、信頼性の試験で確かめる。

代表的な試験に、温度を繰り返し上げ下げする試験がある。温度が変わると、チップや接合の材料が、伸び縮みを繰り返す。材料ごとに伸び縮みが違うので、接合の部分に力がかかり、ひびが入ることがある。実際に電流を流して、自ら熱を出させながら繰り返す試験もある。

このほか、高い電圧をかけたまま、高い温度や湿度に置く試験、ゲートの絶縁膜の寿命を調べる試験などがある。車に使う部品には、車向けの品質の規格に沿った試験が求められる。問題が見つかった部品は、原因を調べ、設計や工程に戻して改善する。

品質を保つ工夫

信頼性は、試験だけで決まるわけではない。まず、欠陥の少ない結晶と、清浄な工程で作ることが基本である。そのうえで、出荷前に、全数に近い形で試験を行い、基準に合わないものを除く。

初期の不良を取り除くため、高い温度や電圧をかけて、一定の時間動かす試験（バーンイン）を行うこともある。弱い部品は、この段階で壊れるので、出荷前に取り除ける。

また、どの工程で、どの条件で作られたかを、記録しておくことが重要である。のちに問題が見つかったとき、同じ条件で作られた部品を特定して、対応できるからである。故障した部品は、断面を調べるなどして原因を突き止め、設計や工程の改善に生かす。

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