現在と将来の社会にとって、パワーデバイスは必須の技術に位置付けられます。必須であるならば、その生産と研究開発を含めて技術が持続・発展しなければなりません。これまでに、科学的・技術的な魅力に惹かれて様々な研究者・技術者が豊かな発想で新技術を提案し、実現しています。一方では、進展すると共に見えて来るいろいろな限界を超えることが鍵になって来ます。その時、技術全体を俯瞰し、課題の位置付けが分かれば、限界の重要度や解決の方向性が見えて来そうです。そして、そこから、技術的限界、理論的限界を超える発想に繋がる道が拓けるかも知れません。
これらの俯瞰と発想に着目して社会人技術者向けに開講された講座が、NEDO の「先端パワーエレクトロニクス技術体系教育講座」(2015～2019 年度、横浜国立大学)です。そのアドバンスト・コースから相応しい内容と先端開発事例を選び、文章化して生まれたのが本書です。
目次
第1章 WBGパワーデバイス実用化の意義とビジネス展開
1.1 パワーデバイス実装技術の重要性と人材育成
1.1.1 緒言
1.1.2 パワーデバイス用半導体
1.1.3 WBG半導体パワーデバイス実装技術
1.1.4 パワーデバイス実装技術者育成
1.1.5 今後に向けて
1.2 世界の開発動向と市場展開
1.2.1 はじめに
1.2.2 WBGパワーデバイスにするメリット
1.2.3 WBGパワーデバイスR&Dに対する各国の取組みと,主要学会の動向
1.2.4 主なWBGパワーデバイスの市場動向
1.2.5 WBGパワーデバイスのアプリケーション分野と市場展望
1.2.6 WBGパワーデバイス関連主要メーカとその戦略
1.2.7 「Something New」への挑戦
第2章 WBGパワーデバイスと結晶材料
2.1 WBGパワーデバイスの技術開発動向
2.1.1 パワーデバイスの現状
2.1.2 パワーデバイスの構造
2.1.3 WBGパワーデバイスの優位性
2.1.4 WBGパワーデバイスの開発ターゲットと技術開発課題
2.1.5 SiCパワーデバイス
2.1.6 GaN横型パワーデバイス
2.1.7 GaN縦型パワーデバイス
2.1.8 Ga2O3パワーデバイス
2.1.9 ダイヤモンドパワーデバイス
2.1.10 受動素子の高周波化
2.1.11 パワーデバイスが学ぶべき過去の失敗と将来展望
2.2 結晶およびウエハ材料
2.2.1 パワー半導体素子と結晶
2.2.2 炭化珪素(SiC)結晶
2.2.3 窒化ガリウム(GaN)結晶
2.2.4 シリコン(Si)結晶
2.2.5 酸化ガリウム(Ga2O3)結晶
2.2.6 ダイヤモンド(C)結晶
2.2.7 結晶材料の選択
第3章 WBGパワーモジュール
3.1 大電流パワーモジュールの実装技術
3.1.1 JISSOの役割
3.1.2 パワーデバイス応用技術
3.1.3 大電流パワーモジュールパッケージング技術
3.1.4 品質保証
3.2 将来展望
3.2.1 WBGパワーデバイス実装技術の重要性
3.2.2 パワーモジュールおよびインバータの概要
3.2.3 ワイドバンドギャップ(WBG)パワーデバイスのモジュール実装技術の重要性
3.2.4 将来展望とロードマップ
第4章 WBGパワーモジュール実装材料
4.1 封止材料
4.1.1 はじめに
4.1.2 パッケージの機能
4.1.3 封止材料およびパッケージの製造工程
4.1.4 封止材料の組成
4.1.5 封止材料特性の最適化
4.1.6 パワーモジュールの課題
4.1.7 封止材料の高耐熱化・高熱伝導化
4.1.8 おわりに
4.2 接合および接続材料
4.2.1 はじめに
4.2.2 求められる要件
4.2.3 接合技術の研究開発動向
4.2.4 接合技術の研究開発事例
4.2.5 課題と展望
4.3 セラミック基板材料
4.3.1 はじめに
4.3.2 セラミックスプロセッシング
4.3.3 セラミック基板材料の特性
4.3.4 おわりに
第5章 WBGパワーモジュールの試作および評価
5.1 信頼性評価の基礎
5.1.1 信頼性工学の基礎
5.1.2 材料強度の基礎
5.1.3 パワーモジュールにおける故障モード
5.1.4 故障予知
5.2 サーマルマネジメント
5.2.1 はじめに
5.2.2 伝熱の基礎
5.2.3 熱回路
5.2.4 熱抵抗低減のポイント
5.2.5 その他の熱抵抗
5.2.6 おわりに
5.3 WBGパワーモジュールのシミュレーション
5.3.1 はじめに
5.3.2 パワーサイクル試験における電気・熱・構造解析
5.3.3 パワーサイクル試験の解析結果
5.3.4 ワイヤー・ボンディングの接合強度の評価
5.3.5 まとめ
5.4 パワーデバイスの組み立てと評価
5.4.1 パッケージの構造
5.4.2 パッケージの組み立て
5.4.3 パッケージの試験/評価
5.5 パワーモジュールの信頼性評価
5.5.1 パワーモジュールの信頼性評価と設備
5.5.2 パワーモジュールの検査技術とその設備
第6章 各種PJにおける関連開発事例
6. 1 電気自動車インホイールモータ用パワーモジュール
6.1.1 インホイールモータの構造と特徴
6.1.2 単純回転機から高機能エレクトロニクスモータへ
6.1.3 グランドデザイン
6.1.4 HBPM基本構造の決定と最終構造
6.1.5 設計各論
6.1.6 HBPMの性能検証
6.1.7 IWM試作
6.2 KAMOME-PJにおける「WBG実装材料評価プラットフォームの確立」
6.2.1 はじめに
6.2.2 評価用プラットフォームの構築
6.2.3 信頼性評価
6.2.4 樹脂封止の効果
6.2.5 SiCパワーデバイスモジュール用実装材料評価
6.2.6 おわりに
6.3 パッケージ
6.3.1 パワーエレクトロニクスにおけるパワー半導体モジュールの役割
6.3.2 SiCデバイスを搭載したパワー半導体モジュール
6.3.3 メガソーラー用パワーコンディショナ向けAll-SiCモジュール
6.3.4 配電機器向け3.3kV耐圧All-SiCモジュール
6.3.5 まとめ
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