パワー半導体信頼性確保とSiCデバイス故障解析ケーススタディ

はじめに：パワー半導体とSiCデバイス、信頼性確保の重要性

パワー半導体は、私たちの生活を陰で支える電子部品の一つです。

産業機械や自動車、鉄道、さらには再生可能エネルギーのインフラに至るまで、あらゆる分野の制御・電力変換に用いられています。

近年、シリコンカーバイド（SiC）デバイスの普及が急速に進み、従来のシリコン（Si）パワー半導体からの置き換えが始まっています。

なぜならSiCデバイスは、高耐圧・高温動作・低損失といった特性があり、省エネルギー化や小型化を実現できるからです。

しかし、急速な技術革新の一方で「信頼性確保」という課題が残っています。

現場での運用を知る私としては、過去の“昭和的な勘と経験”による品質管理とは次元の異なる、理論と実績に基づいた解析・対策が求められていると感じます。

この記事では、パワー半導体の信頼性確保への考え方、SiCデバイス故障解析の実際、そして現場目線の改善ポイントと今後について、実際のケーススタディを交えて解説します。

パワー半導体の信頼性とは何か

パワー半導体の役割と求められる信頼性

パワー半導体は、電力制御という社会基盤に必須の部品です。

万が一の故障は、生産停止や社会インフラの停滞に直結し、多大な損失を招きます。

求められる信頼性は、「指定期間中に要求性能を維持できること」です。

言い換えれば、「長期間、期待通りに働く」ことが最重要になります。

そのため、信頼性確保では故障の予防、初期不良・偶発的な問題の最小化、経年劣化の正確な把握、そして現場（顧客）での環境変動への強さ、を幅広く考慮する必要があります。

従来の課題：昭和から続くアナログ的な管理

多くの現場では、「過去の経験則」に基づき安全マージンをとったり、定期的な目視検査や限界サンプルの試験によるチェック体制を重視したりしがちです。

しかし、パワー半導体の場合、ウェハレベルからのプロセス変動、ごく小さな配線の異常や材料劣化が大きな故障要因となりやすいため、肉眼で気付けない“微細な異変”を見落とすリスクが内在します。

したがって、最新の信頼性確保は「データ解析×多角的な評価」へシフトしていくことが不可欠です。

SiCデバイスの特徴と信頼性管理の新たな壁

SiCデバイス普及の流れとビジネス的インパクト

SiCパワー半導体は、データセンター・EV（電気自動車）・鉄道などの消費電力削減や、小型・軽量化ニーズに対応しながら、世界市場で急成長を続けています。

サプライヤー・バイヤーともに、コストダウンももちろんですが、何より「事故や故障を出さない」ことが事業存続のひとつの生命線です。

一方で、今まで使っていたSiデバイスとは、材料・構造・耐性が大きく異なります。

従来のノウハウや検査基準が通用せず、現場経験者ほど面食らう部分です。

SiCならではの信頼性課題

代表的な課題には、以下のようなものがあります。

– 材料の欠陥密度がSiよりも高く、初期不良が起きやすい
– 熱管理がシビアで、局所的な熱暴走が致命的なダメージにつながる
– 表面・界面の化学的安定性問題（絶縁破壊や界面劣化）
– パッケージ（実装）時の応力・熱膨張不整合による、クラックや配線断
これらは、従来より“現場での突発事故発生率が高い”ことを意味します。

SiCデバイスの故障解析：現場で役立つ実践的アプローチ

故障解析（FA）の全体像

パワー半導体の故障は、最終製品出荷後の初期不良、使用開始から数年後の経年劣化故障、大電流パルス入力時の即死事故など、実に多様です。

実際の現場では、以下のアプローチが取られます。

– 外観観察（マイクロスコープ、SEM等）
– X線透視（非破壊検査）
– 電気特性測定
– 断面作製→材料分析（FIB-SEM、TEM、EDX等）
– シミュレーションによる障害再現
このような「多層的かつ立体的」な手法で、ダメージ位置・メカニズム・材料変化を分析します。

SiCモジュール故障の実例：ケーススタディ

【事例1：パワーモジュールでの短絡故障】

海外製のSiCパワーモジュールにおいて、納入後半年で突然の短絡事故が発生しました。

検査工程では異常なしと判定されていたのですが、現場投入後、数千回の開閉テスト実施中に不良品がポツポツと出始めたのです。

解析チームで外観・寸法測定、さらにFIBで断面加工を行ったところ、SiC素子とメタルパターン間の界面に“微小なボイド（空隙）”が点在していることを発見。

さらに電気パルスストレスを再現すると、温度上昇時にボイド部分でサージ電流が局所化し、そこで絶縁破壊→焼損に発展することがわかりました。

製造プロセスを遡及し、ダイボンディング工程における樹脂注入条件と真空引き不足が原因だったと判明。

工程監視データや設備メンテ履歴、オペレータシフトなど“昭和的な勘”では難しいデジタル解析手法が功を奏したケースでした。

【事例2：高温動作下でのごく微細なクラック発生】

自動車のインバーター用SiCパワー素子で、1000時間を超える高温高電圧寿命テスト後、わずかな歩留まり低下が検出されました。

詳細な断面観察で、電極直下のSiC基板表層に“針状クラック”の発生を確認。

設備の温度制御ログを分析すると、何度か想定外のスパイク温度が記録されていました。

故障部位の金属層の析出物分析ではCu拡散による異常と判明。

原因は、パッケージ樹脂の経時変質による絶縁耐圧低下で、応力集中と熱サイクル劣化が重なった事例でした。

昭和的アナログ管理から脱却するために現場でできること

現場主導で“データに基づく品質管理”体制へ

これまでのような「経験則」や「抜き取り検査」のみではなく、以下のような体制強化が必須です。

– IoT・センサー連携で、製造設備の全数データ収集
– 異常値の自動検知・アラート化
– 過去の不良履歴・工程パラメータとのクロスマッチ解析
– 現場・技術・解析チーム混成のデータドリブンカイゼン活動
また、サプライヤー各社やバイヤー（顧客）との“透明性ある情報交換”が肝となります。

なぜなら、現場だけで解決困難な根本原因や設計時のリスクも多いため、川上・川下をまたいだ協働が必須だからです。

サプライヤー・バイヤー間の信頼構築のヒント

– 「不具合の備忘録」をオープン連携し、再発防止策を共創
– 文書化された信頼性評価プロセスの全数開示
– 定期的な技術勉強会やトラブル事例共有
– お互いの工場見学による現場感共有
これらは、現場目線で考えると一手間に見えますが、実際には“設計・調達・現場運用すべてでの歩留まり・信頼性向上”につながります。

まとめ：バイヤー・サプライヤー・現場が共創する新時代へ

パワー半導体、特にSiCデバイスの信頼性確保は、もはや単なる「点検や抜き取り」だけでは成り立ちません。

現場では、現象を正確に捉える目、データを横断的につなぎ合わせる力、そして過去の経験を生かしつつも理論と科学的見地に基づいた活動が必要となっています。

また、バイヤーとサプライヤーの信頼構築、データ連携、オープンイノベーションの推進が、結果として日本のものづくり全体の底上げにも直結します。

昭和から続く“アナログ良き時代”のよさも大切にしながら、新しい地平線を切り拓く。

それこそが今この産業界に関わる我々一人ひとりの使命ではないでしょうか。

これからも、現場でしか見えないリアルな目線と、新しい知見とを持ち寄り、皆さんと未来を切り拓きたいと思います。