富士通ゼネラルで電子デバイス事業を担当する子会社の富士通ゼネラルエレクトロニクス(FGEL)は2021年6月15日、小型のGaN(窒化ガリウム)モジュールを開発したと発表した。GaNデバイスで市場をリードする米Transphorm(トランスフォーム)製の650V/40A級GaNトランジスタ(GaNーFET)と、ゲートドライブ回路を独自の設計技術で小型モジュールに実装したとする。寸法はトランジスタの4素子入りがD34mm×W63mm×H12mmで、6素子入りがD35mm×W46mm×H8mmである。

 開発したGaNモジュールは通常のIGBTモジュールと比較して、電力損失を大幅に低減できるとする。両モジュールを400W級サーボモーターに搭載したところ、IGBTの電力損失が17Wであるのに対して、GaNでは8Wだったとしている。

 「GaNなどの次世代パワー半導体の市場は、25年頃を境に大きく成長する。電源関連や産業機器に展開していき、将来は車載分野にも進出したい」(FGEL 代表取締役社長の岡田雅史氏)。このモジュールは21年秋にサンプル出荷を開始するとしている。サンプル価格(税込み)は4素子入りが3万8500円で、6素子入りが4万8950円。現在、22年秋の量産に向けたコストダウンを実施している。FGELは、29年頃にGaNモジュールの売り上げで100億円を目指すとしている。

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開発したGaNモジュール
(出所:富士通ゼネラル)

 モジュールの小型化は、基板の配置を工夫することにより実現した。基板は2階建ての構造で、FR4基板にゲートドライブ回路を実装した上段と、GaNーFET素子で構成するフルブリッジ回路を実装した下段で構成される。特に下段の基板材料を工夫したとする。

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ゲートドライブ回路とフルブリッジ回路を上下に実装する
(出所:富士通ゼネラル)
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GaNモジュールの内部構造
(出所:富士通ゼネラル)

 「下段の基板に放熱性が優れたエポキシ樹脂を用いている。GaN-FET素子の実装には通常セラミック基板が使われるが、それだと他の部品との接合に制約を受けやすいため今回は採用しなかった」(FGEL市場開発推進統括部 パワーモジュールマネージメント推進部 部長の後藤友彰氏)。エポキシ樹脂は銅の放熱板に接合されており、そこを通じてチップの熱を逃がしている。FGEL市場開発推進統括部 市場開発推進室 室長代理の松崎顕氏によれば、このようなGaN-FET素子の実装には、同社が産業機器向けインバーター用パワーモジュールの開発で培ったノウハウを活用したという。