1 緒言
Thermal Design of Power Amplifier Module
Model of PA (Chip – Module)
Thermal Analysis (Simulation 2) (Steady State & Transient)
Modeling &
Input Property Data
Rjc < Allowable Limit ? N
Model of PA (Chip – Printed Board)
Y
Modeling &
Input Property Data Transient Analysis
(Simulation 3)
Tjmax < Allowable Limit ? N Device Model
(Transistor Level) Modeling &
Input Property Data Thermal Analysis (Simulation 1, Steady State)
Prototype Experimental Study Rjc < Allowable Limit ? Tjmax < Allowable Limit ?
N Y
End of Thermal Design (Conventional)
Y
Model of Cell Phone (Chip – Case)
Thermal Analysis (Simulation 4) (Steady State & Transient)
Modeling &
Input Property Data Contact Conductance (Boundary Condition)
Tjmax < Allowable Limit ?
End of Thermal Design With Case Structure Recommendation
(For Assembler) Customer can do
thermal design of case?
Y
Y Recommend New Case Structure
N
N Described in This Paper Possible by Applying Thermal Design Technique Described in This Paper
1 緒言
Semiconductor Chip Circuit Board
Printed Board Power Semiconductor Module
Temperature Distribution (Steady State Analysis)
Total Model
0 4 8 12 16 20 24
0.0000E+00 1.8464E-01 3.6928E-01 5.5392E-01 7.3856E-01
動作時間 [sec]
空気からの温度上昇 [℃/W]
Operation Time Tem perature Distribution, ∆ T (=T
jmax–T
air)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.0000E+00 3.6928E-02 7.3856E-02 1.1078E-01 1.4771E-01 1.8464E-01 動作時間 [sec]
空気からの温度上昇 [℃/W]
Operation Time
∆T
Transient Analysis of Temperature Distribution in a Power Module Natural Convection Heat Transfer with Air
図 1.9 携帯電話用パワー半導体モジュールの熱設計の例
定 常 熱 解 析 で は ， 単 位 発 熱 量 当 た り の 発 熱 領 域(Tjmax)と 環 境 温 度(Tair)の 間 の 温 度 差 を 求 め て 目 標 仕 様 を 満 た す か 検 討 す る ．過 渡 温 度 応 答 解 析 の 場 合 ，あ る 発 熱 モ ー ド で 周 期 発 熱 し た 場 合 の 温 度 上 昇 を 検 討 す る ．携 帯 電 話 用 の パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 場 合 ，既 に 述 べ た よ う に 熱 時 定 数 は100 秒 の オ ー ダ ー で あ る た め ，0.1 msec〜1 msecの 周 期 で 発 熱 と 非 発 熱 の 状 態 を 繰 り 返 す 問 題 の 評 価 に は 1周 期 当 た り 10 刻 み 程 度 の 評 価 と し て も ，100 万 ス テ ッ プ 以 上 の 解 析 が 必 要 で あ り ， 現 実 的 で は な い ．こ の た め ，立 ち 上 が り1秒 程 度 ま で の 評 価 と ，発 熱 エ ネ ル ギ ー の 実 効 値 分 で 定 常 温 度 上 昇 し た 値 を 初 期 値 と し ，そ の 後 周 期 発 熱 し た 場 合 の 温 度 変 動 を 評 価 す る な ど の 手 法 に よ り 計 算 時 間 の 短 縮 を 行 う ．
1 緒言
Thermal Design of Power Module
Model of Power Module (Chip – Module)
Thermal Analysis (Simulation 2)
(Steady State & Transient) Modeling &
Input Property Data
Rjc < Allowable Limit ? N Y
Device Model (Transistor Level)
Modeling &
Input Property Data Thermal Analysis (Simulation 1, Steady State)
End of Thermal Design
図 1.10 移動体通信用パワー半導体モジュールの熱設計の基本
1 緒言
1.4 熱物性計測の重要性
数 値 解 析 を 用 い た パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の よ う な 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に お い て ， そ の 設 計 精 度 を 向 上 さ せ る た め に は ， そ の モ デ ル 化 手 法 ， 境 界 条 件 の 与 え 方 ， 使 用 す る 材 料 の 物 性 値 が 重 要 で あ る ． こ の う ち ， モ デ ル 化 手 法 や 境 界 条 件 の 与 え 方 の よ う な 設 計 者 の ノ ウ ハ ウ に 依 存 す る 部 分 を 除 く と ， 最 も 重 要 な の が 材 料 の 物 性 値 で あ る ．
図 1.8 お よ び 図 1.10 の フ ロ ー チ ャ ー ト に お い て ， 熱 解 析 を 行 う 場 面 が 複 数 存 在 す る が ， い ず れ の 場 合 も ， モ デ ル 作 成 と 同 時 に ， 構 成 材 料 の 物 性 値 を デ ー タ と し て 与 え る 必 要 が あ る ． 半 導 体 素 子 や プ リ ン ト 基 板 な ど の 実 装 設 計 と し て 用 い ら れ る 物 性 値 と し て は ， ヤ ン グ 率 な ど の 機 械 的 な 物 性 が 主 体 で あ り ， 熱 物 性 に つ い て は あ ま り 重 要 視 さ れ て こ な か っ た が ， 熱 設 計 に よ る 仕 様 達 成 の 見 通 し が 立 た な い と 製 品 化 困 難 な 電 子 機 器 に つ い て は ， 今 後 ， 熱 物 性 の 重 要 性 が 著 し く 高 ま る も の と 期 待 さ れ る ．
例 え ば ，材 料 寸 法 の 有 効 数 字 が 仮 に 3桁 あ っ た と し て も ，物 性 値 の 有 効 数 字 が 1 桁 で は ， 数 値 解 析 の 結 果 の 有 効 数 字 は 1 桁 に な っ て し ま う ． 一 方 ， 数 値 解 析 実 行 時 に 物 性 値 の 温 度 依 存 性 も パ ラ メ ー タ に す る こ と は で き る が ， そ う す る と 収 束 す る ま で の 時 間 が 極 端 に 長 く な っ て し ま い ， 設 計 手 法 と し て は 現 実 的 で は な い ． こ の た め ， 一 般 に ， 物 性 値 の 温 度 依 存 性 は な い も の と し て ， 実 際 の 温 度 分 布 に 近 い 温 度 で の 物 性 値 を 代 表 と し て 利 用 す る こ と に な る ． い ず れ に し て も ， 物 性 値 の 温 度 依 存 性 の デ ー タ を 保 有 し て い な い と ， 設 計 精 度 が 向 上 し な い ．
半 導 体 素 子 に 用 い ら れ る 材 料 の 物 性 値 は ， 特 に 成 膜 装 置 を 用 い て 原 子 レ ベ ル か ら 積 み 上 げ る 材 料 の 場 合 ， 製 造 装 置 や 環 境 ， プ ロ セ ス ， 不 純 物 の 存 在 な ど に よ っ て 大 き く 影 響 さ れ る ． こ の た め ， 標 準 的 な 物 性 デ ー タ を 利 用 す る こ と が で き る か 否 か が 明 確 で な い 場 合 が 多 い ． こ の よ う な 理 由 か ら も ， 自 前 で 物 性 値 を 計 測 す る 技 術 を 導 入 し て ， デ ー タ ベ ー ス を 積 み 上 げ て お く 必 要 が あ る ．
実 際 の 数 値 解 析 で は ， 実 験 結 果 と つ き 合 わ せ な が ら 整 合 性 を 高 め て い く た め ， 解 析 規 模 の 限 界 な ど の 理 由 に よ り モ デ ル 化 で き な い 場 合 や ， 複 数 の 材 料 の 等 価 的 な 物 性 値 を 算 出 し て あ た か も 一 つ の 材 料 と し て 扱 う 場 合 が あ る ． ま た ， 境 界 条 件 や 物 性 値 を 操 作 し て 実 験 結 果 に 合 わ せ こ む 場 合 も あ る が ， 本 来 は 熱 物 性 に 関 す る 標 準 的 な デ ー タ ベ ー ス と ， 自 前 の 局 所 的 な デ ー タ ベ ー ス の 両 方 が あ っ て 初 め て ， 有 用 な 知 的 財 産 と し て 利 用 可 能 に な る の で あ る ．
1 緒言
1.5 まとめ
こ れ ま で 述 べ て き た よ う に ， 携 帯 電 話 に 搭 載 さ れ る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 は ， 携 帯 電 話 筐 体 全 体 の 発 熱 量 に 占 め る パ ワ ー ア ン プ の 発 熱 量 の 割 合 が 高 く ， 最 大 定 格 で は 筐 体 か ら 放 熱 可 能 な 熱 量 の 上 限 に ほ ぼ 匹 敵 す る こ と か ら ， 大 変 重 要 で あ る と 言 え る ． 特 に ， そ の 開 発 動 向 を 考 慮 す る と ， 常 時 低 コ ス ト 化 と 実 装 面 積 の 低 減 （ 寸 法 の 低 減 ） が 市 場 か ら 要 求 さ れ て い る た め ， 高 発 熱 密 度 化 に 対 応 し た 低 熱 抵 抗 構 造 の 開 発 が 急 務 で あ る ． 携 帯 電 話 に 搭 載 さ れ る 発 熱 部 品 で あ る た め ，冷 や さ ず に 温 度 上 昇 を 抑 制 し な け れ ば な ら な い と い う 厳 し い 制 約 も 存 在 す る ． そ の よ う な 背 景 と ， 低 コ ス ト 要 求 と 短 い 開 発 期 間 と い う 問 題 か ら ， 数 値 解 析 を 多 用 し た 机 上 検 討 に よ り ， 極 力 短 期 間 で 目 標 仕 様 を 達 成 可 能 な 実 装 構 造 を 提 案 す る こ と が 極 め て 有 用 で あ る ． ま た ， 数 値 解 析 の ， ひ い て は 熱 設 計 の 精 度 を 向 上 さ せ る た め に は ， 高 い 測 定 精 度 の 実 験 に 基 づ く 材 料 の 物 性 デ ー タ の 蓄 積 が 必 須 で あ る ．
本 論 文 で は ， 実 際 に 開 発 し た 手 法 を 用 い て 物 性 値 の デ ー タ ベ ー ス を 構 築 し ， そ れ を 用 い て 数 値 解 析 に よ り 熱 設 計 を 行 う と い う と こ ろ ま で は 限 ら れ た 材 料 に 対 し て し か 到 達 で き な か っ た が ， そ の 課 題 を 抽 出 し ， 将 来 に 向 け た 構 想 と し て ま と め た 上 で ， 実 験 結 果 に 合 わ せ 込 ん だ 物 性 デ ー タ を 用 い て 数 値 解 析 を 行 い ， パ ワ ー モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に 関 す る さ ま ざ ま な 知 見 を 得 る こ と が で き た の で ， こ れ ら の 知 見 を 整 理 し て 汎 用 的 な 設 計 手 法 と し て の 提 言 を 行 う ．
2 接触熱コンダクタンス改善手法の検討