数値解析を用いた熱設計の課題

  第 4 章 に お い て 示 し た よ う に ， 数 値 解 析 を 用 い た 半 導 体 素 子 の 熱 設 計 を 行 う こ と に よ り ，素 子 内 部 の 局 所 的 な 温 度 分 布 ま で 予 測 す る こ と が で き る よ う に な っ た ． 実 験 的 に 検 証 可 能 な 特 定 領 域 ・ 位 置 の 温 度 と の つ き 合 わ せ に よ り ， 境 界 条 件 の 適 正 化 な ど に よ り ， モ デ ル 化 の 精 度 を 上 げ る こ と も 可 能 で あ る ．

  こ の よ う な 数 値 解 析 を 援 用 す る こ と で ， 設 計 の 初 期 か ら デ バ イ ス の 内 部 構 造 ま で 含 め た 実 装 設 計 が 可 能 と な り つ つ あ る が ， 以 下 の よ う な 課 題 が 存 在 す る ．

5.1.1 解析の精度の問題   

  携 帯 電 話 端 末 に 搭 載 さ れ る よ う な 汎 用 で 量 産 性 の 高 い 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 場 合 ， 仕 様 ， 寸 法 ， 価 格 な ど の 決 定 能 力 が モ ジ ュ ー ル 開 発 者 で は な く ， 最 終 製 品 で あ る 携 帯 電 話 端 末 開 発 者（ セ ッ ト メ ー カ ）側 に あ る と い う 問 題 が 存 在 す る ．こ の た め ， 実 装 設 計 上 の 制 約 が 大 き く ，机 上 で 検 討 し た 画 期 的 な 実 装 構 造 が あ っ た と し て も ， 部 品 点 数 が 増 え な い こ と や コ ス ト 増 に つ な が ら な い こ と が ， 開 発 し た 実 装 構 造 ・ 仕 様 が 製 品 に 採 用 さ れ る た め の 大 前 提 と な る ．

  従 っ て ， 結 局 は 細 か い 要 素 の 改 善 の 積 み 重 ね で 低 熱 抵 抗 化 や 発 熱 領 域 間 の 温 度 差 の 低 減 を 図 る こ と に な り ， 定 性 的 に は 明 ら か に 効 果 は あ る が ， 定 量 的 に は 解 析 の 不 確 か さ の オ ー ダ ー と 変 わ ら な い レ ベ ル で の 評 価 し か で き な い 場 合 が 多 い こ と に な る ． こ の よ う な 問 題 を 解 決 す る た め に は ， 解 析 精 度 の 向 上 が 何 よ り も 重 要 で あ る ．

  そ の た め に は ， ま ず ， 境 界 条 件 や 使 用 す る 熱 物 性 値 の 適 正 化 や ， モ デ ル 化 の ノ ウ ハ ウ の 向 上 が 必 須 と な る ．特 に ，第 4 章 で 行 っ た コ レ ク タ ア ッ プ HBTに お け る ト ラ ン ジ ス タ 単 体 の 熱 抵 抗 の 評 価 で 明 ら か に な っ た よ う に ， ト ラ ン ジ ス タ 内 部 の 放 熱 経 路 に 熱 伝 導 率 の 低 い 材 料 が 存 在 す る と ， 熱 抵 抗 に 対 す る 影 響 が 大 き い ． こ の よ う な 薄 膜 の 熱 物 性 値 は ，第 3 章 で 開 発 し た よ う な 厚 さ 数 100 µmの 薄 い 固 体 材 料 の 物 性 評 価 技 術 で 計 測 で き る 場 合 も あ る と 思 わ れ る が ， 熱 物 性 値 が そ の 製 造 プ

5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案

ロ セ ス に 対 し て 依 存 性 を 有 す る と 予 想 さ れ る た め ， で き れ ば ， 製 品 で 使 用 さ れ る 薄 膜 と 全 く 同 一 の 製 造 プ ロ セ ス ， 材 料 構 成 で 熱 物 性 を 評 価 す る 手 法 を 開 発 す る こ と が 望 ま れ る ．

  即 ち ， 次 節 で 提 案 す る よ う な ， 半 導 体 素 子 内 部 の 薄 膜 材 料 の 熱 物 性 値 を 計 測 す る 手 法 の 立 上 げ と ， そ の デ ー タ ベ ー ス 化 を 図 る 必 要 が あ る ． こ れ は ， 単 に 薄 膜 材 料 だ け が 問 題 な の で は な く ，例 え ば 鉛 フ リ ー は ん だ の よ う な バ ル ク 材 に つ い て も ， 熱 物 性 値 の デ ー タ が ほ と ん ど 入 手 で き な い と い う 事 実 も あ り ， 非 常 に 重 要 な 課 題 で あ る ．

5.1.2 解析規模とモデル化の煩雑性のトレードオフ   

  本 手 法 で 用 い た 直 交 系 六 面 体 メ ッ シ ュ で は ， 詳 細 な 構 造 を 含 む 部 分 と ， あ ま り 温 度 分 布 に 影 響 が な く ， メ ッ シ ュ を 粗 く し て も よ い 部 分 と で メ ッ シ ュ の サ イ ズ を 変 化 さ せ た 複 数 の 解 析 領 域 を 設 け ， 共 通 節 点 で の 情 報 を 共 有 さ せ る よ う な 形 で 複 合 的 な メ ッ シ ュ を 生 成 す る こ と を 想 定 し て い な い ． そ の 代 わ り ， 節 点 座 標 と ， 直 交 六 面 体 に 分 割 し た 個 々 の 構 成 材 料 の 占 め る 領 域 と 属 性 ， 物 性 や 境 界 条 件 を テ キ ス ト フ ァ イ ル で 指 定 す れ ば ， ど の よ う な 環 境 で も 入 力 デ ー タ を 作 成 で き る と い う 方 式 を 採 用 し て い る ． も ち ろ ん ， 汎 用 の プ リ ・ ポ ス ト プ ロ セ ッ サ か ら 吐 き 出 さ れ る メ ッ シ ュ デ ー タ や 境 界 条 件 デ ー タ に も 対 応 可 能 で あ る ．

  上 記 の 特 徴 は ， 解 析 規 模 が 徒 に 大 き く な り や す い と い う 短 所 と ， モ デ ル 作 成 の 時 間 を 短 く で き る と い う 長 所 と い う ト レ ー ド オ フ の 関 係 を 含 む も の で あ る ．   な る べ く 小 さ い 規 模 の モ デ ル で 効 率 よ く 計 算 す る た め に は ， 汎 用 の プ リ ・ ポ ス ト プ ロ セ ッ サ を 用 い て 四 面 体 メ ッ シ ュ を 作 る 方 が 賢 明 な 手 法 で あ る ． し か し な が ら ， 朝 集 め た 設 計 デ ー タ を ， 一 部 要 素 の 構 成 を パ ラ メ ト リ ッ ク に 検 証 す る た め の 複 数 の モ デ ル に 落 と し 込 ん で 翌 日 に は 指 針 を 出 す よ う な 製 品 開 発 に お い て は ， あ る 意 味 で 力 技 的 な 愚 直 な や り 方 の 方 が よ い 場 合 が 増 え て き た ．

  特 に ， 数 値 解 析 主 体 の ロ バ ス ト 設 計 を 求 め ら れ る 場 合 ， 予 備 検 討 を 含 め て 大 量 の モ デ ル を 作 成 ， 評 価 す る 必 要 が あ る た め ， 定 常 の 解 析 で あ れ ば ， 解 析 規 模 が 大 き く な っ て も モ デ ル 化 の 時 間 を 省 く 方 が ， メ リ ッ ト が 大 き い ． な お ， 周 期 発 熱 動 作 の 評 価 に つ い て は ， 解 析 規 模 を 小 さ く す る こ と も 重 要 で あ る が ， 解 析 対 象 を 絞 り 込 ん で ， 少 な い 件 数 で 効 率 よ く 検 討 す る こ と が 肝 要 で あ る ．

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5.1.3 コンカレントエンジニアリングの必要性   

(1)設計者の文化の違い 

  次 に ， 解 析 対 象 や 解 析 に 使 用 す る ツ ー ル の 取 捨 選 択 の 問 題 が あ る ． 緒 言 お よ び 第 4 章 に お い て 述 べ た よ う に ， 半 導 体 デ バ イ ス の 設 計 者 と 配 線 基 板 の 設 計 者 は 異 な る 設 計 文 化 を 有 し て お り ， 設 計 デ ー タ や ツ ー ル の 共 通 化 を 望 む こ と は ， 現 状 の 研 究 開 発 ， 設 計 環 境 に お い て は ， 困 難 で あ る ． こ の た め ， 異 な る フ ォ ー マ ッ ト ， 異 な る ス ケ ー ル オ ー ダ ー ， 異 な る 次 元 （ 二 次 元 か 三 次 元 か ） の 寸 法 デ ー タ を 集 め て 製 品 全 体 の 実 装 設 計 を し な け れ ば な ら な い ．

  部 品 ご と に 得 ら れ る デ ー タ の 質 が 異 な る た め ， 解 析 モ デ ル を 作 る 側 で の モ デ ル 作 成 時 の 調 整 が 重 要 に な る と い う 課 題 が あ る ． こ れ は ， 解 析 対 象 の 範 囲 が ， 小 さ い 製 品 な が ら も デ バ イ ス か ら モ ジ ュ ー ル ， あ る い は 筐 体 ま で 広 が っ て い る た め で あ る ．

  場 合 に よ る と ， 設 計 図 面 と 実 際 の 搭 載 部 品 の 寸 法 が 一 致 し な い こ と も あ る ． こ れ は ，特 に 多 層 配 線 基 板 に 顕 著 な 例 で ，焼 成 基 板 や ビ ル ド ア ッ プ 基 板 を 用 い る と ， 焼 成 時 の 収 縮 や メ ッ キ 配 線 や 配 線 ビ ア 等 に よ る 凹 凸 な ど ， 図 面 に 載 ら な い 微 小 な 構 造 が 問 題 と な る ． し か も ， 統 計 的 な ば ら つ き が 存 在 す る ．

  昨 今 で は ， 上 記 の よ う な 基 板 表 面 の 凹 凸 や 粗 さ ， 基 板 全 体 の う ね り が 信 頼 性 設 計 上 の 課 題 と し て ク ロ ー ズ ア ッ プ さ れ つ つ あ る ． こ の た め ， 上 記 の よ う な 図 面 に 見 え な い 構 造 に つ い て も デ ー タ の 必 要 性 の 理 解 が 進 ん で は い る も の の ， 数 値 解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 整 合 が 取 れ な か っ た り ， う ま く 形 が で き な か っ た り す る 場 合 の 原 因 と し て ，図 面 に 見 え な い 寸 法 の ば ら つ き が 影 響 し て い る ケ ー ス が 相 当 数 あ り ， こ れ は 解 析 す る 立 場 か ら は 対 応 で き か ね る 課 題 と な っ て い る ．

(2) 設計者と顧客側でのデータの共用化の問題 

  こ の こ と 自 体 は 大 き な 問 題 で は な い が ，製 品 購 入 元 で あ る 顧 客（ セ ッ ト メ ー カ ） か ら ， 顧 客 サ イ ド に お い て も 評 価 可 能 な 解 析 モ デ ル の 提 出 を 要 求 さ れ る こ と が 増 え て い る ． 市 販 の 解 析 ツ ー ル が 広 く 浸 透 し て お り ， 例 え ば 欧 州 な ら 欧 州 で ， 標 準 的 な ソ フ ト が 存 在 す る こ と も そ の 背 景 に あ る ．

  但 し ， 仮 に 同 じ 市 販 の ツ ー ル を 用 い て 解 析 を し た と し て も ， 解 析 可 能 な モ デ ル の 規 模 が 使 用 し て い る 計 算 機 能 力 に 依 存 す る た め ， 双 方 で 計 算 機 能 力 の 低 い 側 に 合 わ せ た 検 討 を 行 わ な け れ ば な ら な い と い う 課 題 が あ る ． 一 方 ， 製 品 設 計 上 は 大 規 模 で 高 度 な 解 析 が 必 要 な た め ， モ デ ル も 共 通 化 で き ず ， 最 終 的 に は 同 じ 製 品 に

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つ い て 複 数 の モ デ ル を 作 り ， 整 合 性 の あ る 結 果 が で る よ う 作 り こ む 作 業 が 必 要 に な る の で あ る ．

  顧 客 側 の 立 場 に 立 つ と ， 複 数 の 候 補 製 品 に つ い て の 設 計 デ ー タ ， 解 析 モ デ ル を 得 る こ と に よ り ， よ り 規 模 の 大 き い 自 社 製 品 （ 例 え ば ， 携 帯 電 話 用 の パ ワ ー ア ン プ を 購 入 す る 携 帯 電 話 端 末 セ ッ ト メ ー カ で あ れ ば ， 携 帯 電 話 端 末 ） に 各 社 の 製 品 を 搭 載 し た 場 合 に ど う な る か と い う 点 を ， 数 値 解 析 を 用 い て 実 行 す る こ と で 採 用 決 定 後 の 仕 様 変 更 や す り 合 わ せ の 工 程 を 減 ら す 目 的 が あ り ， そ れ は 大 変 重 要 な こ と で あ る ．

  他 方 ， 部 品 を 提 供 す る 側 と し て は ， 配 線 の レ イ ア ウ ト か ら デ バ イ ス の 構 成 ， 材 料 ま で の 全 て を 顧 客 に 開 示 で き な い と い う ジ レ ン マ が あ る ． こ れ は ， 上 記 の よ う な デ ー タ を 文 書 や モ デ ル の 形 で 全 て 開 示 し て し ま う と ， 社 外 秘 の ノ ウ ハ ウ ま で が 流 出 し て し ま う た め で あ る ． 従 っ て ， 目 的 と す る 解 析 で は 有 意 な デ ー タ を 出 す こ と が で き る が ， そ の 詳 細 は ブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス 化 さ れ て い る よ う な ， モ デ ル の 提 供 側 と 受 領 側 双 方 に メ リ ッ ト が あ る モ デ ル を 提 供 す る 必 要 が あ る ．

  デ バ イ ス や 回 路 設 計 の 場 合 ， カ リ フ ォ ル ニ ア 大 学 で 開 発 さ れ た パ ブ リ ッ ク ド メ イ ン の SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)と い う ，デ フ ァ ク ト ス タ ン ダ ー ド 化 さ れ た ツ ー ル が あ り ， ス パ イ ス パ ラ メ ー タ と し て 個 々 の 製 品 を モ デ ル 化 し て 提 供 す れ ば 大 抵 の 回 路 設 計 上 は 問 題 な い ． こ れ に 対 し ， 熱 設 計 や 構 造 信 頼 性 設 計 を 数 値 解 析 で 行 う 場 合 は ， 物 理 モ デ ル を 提 供 す る 必 要 が あ る こ と か ら ，SPICE 的 な 提 供 が で き る と し た ら ， せ い ぜ い 熱 抵 抗 ， 熱 容 量 の よ う な 指 標 だ け で ， 顧 客 サ イ ド に お い て モ デ ル を 作 成 す る に は 十 分 な 指 標 を 提 供 す る こ と は 困 難 で あ る と い う 課 題 が あ る ．

  い ず れ に し て も ， パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル か ら 携 帯 電 話 筐 体 全 体 ま で ， あ る い は 携 帯 電 話 に 搭 載 さ れ る 他 の 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 低 熱 抵 抗 構 造 を 実 現 す る た め に は ， 搭 載 さ れ る 半 導 体 素 子 内 部 か ら 筐 体 全 体 ま で の 統 合 的 な 設 計 技 術 の 開 発 と ， 設 計 デ ー タ の 共 通 フ ォ ー マ ッ ト 化 が 必 須 で あ る ． 現 状 で は 異 な る フ ォ ー マ ッ ト で ば ら ば ら に 管 理 さ れ て い る 各 種 の デ ー タ が ， 一 元 化 さ れ る こ と に よ り ， 効 率 の よ い 製 品 開 発 が 可 能 と な る と 言 え る ．