ワイヤーボンドを廃止し、電力密度4倍へ。スバルも熱視線を送るonsemiの「ウェハーレベル統合」次世代パワー半導体実装技術

Embedded Power Platform（EPP）は単一のアーキテクチャ内で電気的、機械的、熱的性能を総合的に最適化、電力システム設計への高度に統合されたアプローチにより、既存のソリューションと比較して最大3～5倍の電力密度を実現する。これにより、顧客は複雑さを軽減しながら、AIインフラストラクチャと電化の需要増加に対応できるようになる。

これまで「半導体チップ（ダイ）」と「それを収めるパッケージ」は別々の技術として扱われてきた。EPPは12インチシリコンウェハー自体をパッケージの基盤として利用、従来のワイヤーボンド接続を廃止し、ウェハーレベルの再配線層を通じて、シリコン（Si）、炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）などの異なる技術や、FET、ドライバー、コントローラーをひとつのシステムとして統合・最適化する。これまではチップの性能（SiC等）ばかりが注目されてきたが、チップ同士を繋ぐ数ミリのワイヤー（寄生インダクタンス）がEVの高効率化の最大のボトルネックになっていた。電気的、熱的、機械的な設計を「別々に最適化する」という従来の限界を打破し、最初から一体として設計（協調設計）できる点が革新的。これにより寄生インダクタンスが低下し、超高密度かつ高効率な電力制御が可能になる。

「半導体とパッケージは、数十年にわたり別々の技術として扱われてきました。EPPは、シリコン自体をシステムアーキテクチャの一部とすることで、この状況を変えます」と、オンセミの社長兼CEOであるハッサン・エル・クーリー氏は述べている。「EPPは、高度な半導体技術、製造、システムレベルの最適化を共通のアーキテクチャに統合し、将来のイノベーションに合わせて進化させることができます。このアプローチは、電力システムの構築方法を再定義し、AIインフラ、電化、自動化のための新たな基盤を築く可能性を秘めています」

AIインフラ、電動モビリティ、産業オートメーションなど、あらゆる分野において「より多くの電力を、いかに効率よく管理するか」という共通の課題に直面している。顧客は、ますます小型化するシステム内でより多くの電力を移動・管理すると同時に、熱、効率、コスト、開発期間を制御する必要があるが、今日の電力システムの多くは、依然として従来型の設計手法を用いて開発されており、パワーエレクトロニクス、機械設計、熱設計をそれぞれ独立したエンジニアリング課題として扱い、各層を個別に、かつ順次最適化しなければならない。ある段階で下された決定が別の段階で妥協を生み、追加のエンジニアリング反復、コストのかかる後期段階での変更、そして開発サイクルの長期化につながる可能性がある。

EPPは、従来の逐次的なモデルを、共同設計、共同シミュレーション、共同最適化が可能な共通プラットフォームに置き換えるもの。このアプローチは、顧客が以下のことを実現できるよう設計されている。

• 用途に応じて、3～5倍の電力密度を実現
• 開発サイクルを最短4ヶ月に短縮
• 熱性能と放熱性を向上させる
• 寄生インダクタンスを低減することで電気損失を低減する
• より高度なデバイス制御とより高いスイッチング周波数を実現する
• 設計上のトレードオフを早期に特定し、コストのかかる後期段階での変更を削減する
• 電力レベル、デバイスタイプ、アプリケーション、半導体技術にわたって共通のアーキテクチャを拡張

［AIインフラストラクチャへの応用］
AIラックの電力消費量が増加するにつれて、その電力を供給、変換、保護するシステムに、より多くのスペースと冷却能力を割り当てる必要が生じる。これにより、ラック内に収容できるコンピューティング能力が制限される可能性があった。初期のEPPベースのソリッドステート回路ブレーカー設計では、既存の設計と比較して、サイズが約50%小さく、温度が20%低くなっている。EPPは、パッケージングのオーバーヘッドを削減し、EPPのフットプリント全体を使用して熱を伝導することで、よりコンパクトな電源システムをサポートし、熱管理を改善し、AIインフラストラクチャにおける電力密度を高められる。

［電気自動車への応用］
電気自動車のトラクションインバータは、効率損失、熱的制約、開発の複雑さ、システムサイズといった課題に直面することが少なくない。EPPは、従来の方式と比較して最大4倍の電力密度と15%低い電力損失を実現することで、これらの課題を解決し、より小型、軽量、高効率なインバータ設計を可能にする。拡張性の高いアーキテクチャにより、ローエンドからハイエンドまで幅広い車両用途に対応する単一のインバータプラットフォームをサポートし、自動車メーカーは複数の車種や出力クラスで共通の設計を再利用できる。このアプローチにより、研究開発費と製造費を削減し、認証と開発サイクルを加速させ、航続距離を向上させたり、システムコストを削減したり、新しい車両プログラムをより迅速に市場投入することが可能になる。

スバルは、EPPの初期参加パートナーの1社として、オンセミ社と協力し、このプラットフォームが将来の電動車両アーキテクチャをどのようにサポートできるかを評価している。この協業を通じて、スバルはエンジニアリングサンプル、シミュレーションモデル、および技術的な専門知識に早期にアクセスできるようになる。両社は車両性能の向上、開発の効率化、イノベーションの加速化に向けた機会を模索していくという。