大チップSiCモジュールで電動車両の次世代駆動へ
自動車産業は、電動化の波の中で、より長く、より速く、より軽い電動車両（EV）の開発に全力を挙げている。消費者の関心はバッテリーの容量や走行距離に集中しがちだが、真の技術革新は、バッテリーの直流（DC）をモーターの動力源となる交流（AC）に変換する「パワーエレクトロニクス」の心臓部、インバータに隠れている。長年、この分野を支配してきたシリコン（Si）半導体の限界が明らかになる中、炭化ケイ素（SiC）は、より高い効率、出力、信頼性を実現する次世代材料として注目を集めている。しかし、SiCの真の力を引き出すには、その設計とパッケージングに新たなアプローチが必要となる。中国科学院電工研究所の李東潤（Li Dongrun）氏と寧圃奇（Ning Puqi）氏を筆頭とする研究チームが、学術誌『電源学報（Journal of Power Supply）』に発表した最新の研究は、この課題に明確な答えを提示している。彼らは、複数の小型チップを並列接続する従来のアプローチから一歩踏み出し、「大チップ」戦略を採用した高密度SiCパワーモジュールの設計を提案し、電動車両のインバータ技術に新たな地平を切り開いた。
SiC半導体が注目される理由は、その物理的特性にある。シリコンと比較して、SiCははるかに高い耐圧性、低いスイッチング損失、そして卓越した熱伝導率を持つ。これらの特性は、EVのインバータに直接的な利点をもたらす。まず、800Vクラスの高電圧システムの採用が可能になる。高電圧化は、同じ出力を得るための電流を低減し、抵抗による損失（I²R損失）を劇的に削減する。次に、SiC MOSFETの高速スイッチングと低損失は、インバータ全体の効率を向上させ、バッテリーのエネルギーをより多くモーターの動力に変換できる。これにより、走行距離の延伸が可能になる。さらに、SiCの高い熱伝導率は、チップ内部で発生する熱を効率的に放熱板に伝えることを可能にし、より高い接合温度での安定した動作を実現する。これらの利点の総和が、より小型・軽量で高出力なインバータの開発を可能にする。
しかし、EV用の高電流（数百アンペア）を扱うには、1つのSiCチップだけでは不十分である。従来の主流アプローチは、多数の小型SiCチップを並列に接続するというものだ。例えば、680Aの出力を持つインバータでは、16個の16mΩチップを並列に接続する設計が一般的である。この方法は、理論的には電流を合算できるが、重大な課題を孕んでいる。それは、「電流の不均一性（カレントシェアリング）」と「温度の不均一性（ホットスポット）」である。
半導体製造の限界から、同じロットから生産されたチップであっても、その電気的特性（閾値電圧Vth、オン抵抗Rds(on)）にはバラツキが存在する。文献によれば、Vthは±40%、Rds(on)は±15%の範囲でばらつくことがある。並列接続されたチップの中で、オン抵抗がわずかに低いチップは、自然と他のチップよりも多くの電流を流す。この電流の増加により、そのチップでの損失（発熱量）が増大し、温度が上昇する。SiC MOSFETはオン抵抗に正の温度係数を持つため、温度が上がると抵抗も増加し、電流を抑制する「自己均一化」の効果がある。しかし、この負のフィードバックループは、急激な負荷変動（急加速など）に対しては遅く、完全な均一化には至らない。結果として、一部のチップが他のチップよりも著しく高温になる「ホットスポット」が発生する。
このホットスポットは、インバータの信頼性を脅かす重大な要因である。半導体やパッケージ材料の劣化速度は、温度に強く依存しており、10度の温度上昇で寿命が半分になるという「10度法則」が知られている。モジュール全体の寿命は、最も高温になる「弱いリンク」のチップによって決まってしまう。また、温度の不均一は、モジュール内部の異なる材料間の熱膨張差による機械的ストレス（熱サイクル疲労）を増大させ、はんだ接合部の亀裂や剥離といった致命的な故障を引き起こすリスクを高める。したがって、電流と温度の均一性を確保することは、効率向上だけでなく、インバータの長寿命化と安全性を担保する上で絶対に不可欠な課題なのである。
この問題に立ち向かうために、李氏らの研究チームは、根本的な設計思想の転換を提案した。すなわち、「並列接続するチップの数を減らす」ことである。彼らは、清純半導体（SiChain Semiconductors）が開発した1200V/3.5mΩという大容量のSiCチップに着目した。この1つのチップは、150℃の条件下で350Aの電流を流す能力を持つ。これに対し、従来の16mΩチップは1つのチップあたりの電流容量ははるかに小さい。つまり、同じ出力電流を得るために必要な並列接続数が、16個から4個に劇的に減少する。チップ数が減ることで、その特性のばらつきが引き起こす電流・温度の不均一性の影響を根本的に低減できるという、シンプルだが極めて効果的な戦略である。
この「大チップ」戦略を実現するための鍵となるのが、パッケージ技術である。研究チームは「積層DBC（Direct Bonded Copper）」という先進的なパッケージング手法を採用した。従来の「ワイヤボンディング」方式では、チップと端子を細い金線で接続するため、寄生インダクタンスが大きく、電気的ノイズやスイッチング損失の原因となる。一方、積層DBCは、銅箔とセラミック基板を交互に重ね、チップをその間にサンドイッチ状に挟み込む構造である。この設計により、主電流経路が極めて短くなり、寄生インダクタンスを大幅に低減できる。実験結果によれば、開発した800V/350Aモジュールの寄生インダクタンスは約8.3nHと、非常に低い値に抑えられた。これにより、スイッチング時の電圧オーバーシュートが抑えられ、デバイスの信頼性が飛躍的に向上する。
さらに、積層DBCの平面的で対称的な構造は、並列接続された複数のチップ間で、電流パスと熱伝導パスを物理的に均等に保つことができる。これは、電流の不均一性を助長する要因を設計段階で排除する、極めて重要な利点である。研究チームは、この大チップと積層DBCの組み合わせで、800V/350Aのプロトタイプモジュールを実際に製作し、二重パルス試験（Double Pulse Test）でその性能を検証した。結果は圧倒的であった。800Vの直流電圧と150℃の高温条件下でも、350Aのスイッチング電流を安定して処理でき、ゲート信号に振動も見られなかった。対照的に、同じ大容量チップを使用した従来のワイヤボンディングモジュールは、650Vの電圧で既にゲート信号に強い振動が発生し、正常な動作が困難になることが確認された。この実験は、大チップ戦略が単なる理論ではなく、実用可能な高性能なソリューションであることを立証している。
しかし、研究の真価は、実験を超えたシミュレーション分析にある。チームは、電気回路モデルと熱回路モデルを統合した「電熱連成シミュレーション」を実施し、大チップ戦略の長期的な利点を定量的に評価した。シミュレーションでは、4個の3.5mΩ大チップを並列接続したモジュールと、16個の16mΩ小チップを並列接続したモジュールの、温度分布の違いを比較した。負荷が線形に増加する（EVの加速を想定）という条件で、温度のフィードバック効果を考慮しない場合と考慮した場合の2つのシナリオを設定した。
その結果、温度フィードバックを考慮しない場合、チップ間の最大温度差は、並列数の多い16チップ構成で著しく大きくなることが分かった。これは、並列数が増えるほど、特性ばらつきの影響が累積的に大きくなることを示している。一方、温度の正のフィードバック効果（温度上昇→Rds(on)増加→電流抑制）をシミュレーションに組み込むと、どちらの構成でも最大温度差は小さくなるが、その差は依然として明確だった。4個の大チップ構成では、16個の小チップ構成よりも、最大温度差が小さく抑えられていた。これは、大チップ戦略が、SiC材料の自己均一化機能に頼るだけでなく、並列数の削減という物理的な手段で、温度の均一性をより確実に確保できるということを意味している。このシミュレーション結果は、大チップ戦略が、モジュールの信頼性と寿命を劇的に向上させる可能性を示唆している。
この研究は、電動車両のパワートレイン技術において、非常に重要な一歩を踏み出した。単にSiC材料を採用するだけでなく、その材料の特性を最大限に活かすための「システムレベル」の設計思想を提示した点が画期的である。大チップと積層DBCの組み合わせは、単に高出力を実現するだけでなく、電流・温度の均一性という根本的な信頼性の課題を解決する、包括的なソリューションである。このアプローチにより、現在の1200V/680Aクラスのモジュールを、1200V/1400Aクラスへと出力倍増させることも理論的に可能になる。これは、より高出力のスポーツEVや大型商用EVの開発を加速させる可能性を秘めている。
さらに、この技術は、EVの小型・軽量化という目標にも貢献する。より信頼性の高いモジュールは、過剰な安全係数を設定する必要がなくなり、結果としてインバータの冷却システムをよりコンパクトに設計できる。重量とスペースの削減は、EVの効率とパッケージングに直結する。李氏らの研究は、材料科学、パッケージング技術、シミュレーション解析という複数の専門分野が融合した成果であり、これからの自動車技術が、単一のブレークスルーではなく、こうした統合的なイノベーションによって進化していくことを示している。
結論として、中国科学院電工研究所の李東潤、寧圃奇らの研究は、電動車両のインバータ技術に新たな風を吹き込んだ。大チップ戦略は、従来の「量」のアプローチ（多数の小チップ並列）から、「質」のアプローチ（少数の大チップ）への転換を象徴している。このシンプルで力強い設計思想は、電流と温度の不均一性という根深い問題を克服し、より効率的で、より信頼性が高く、より小型・軽量な次世代インバータの実現に向け、確かな道筋を示した。自動車産業が電動化の未来へと突き進む中、このような「静かな革命」が、私たちのクルマをより良くしていく原動力となるだろう。
李東潤, 宁圃奇, 康玉慧, 范涛, 雷光寅, 史文华, 中国科学院電工研究所, 電源学報, DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.93