図 1.7は ，携 帯 電 話 に 搭 載 さ れ た 半 導 体 モ ジ ュ ー ル が 熱 源 と な っ た 場 合 の ，周 囲 環 境 ま で の 放 熱 経 路 を 示 し た 図 で あ る ．
個 々 の 半 導 体 モ ジ ュ ー ル 内 の ト ラ ン ジ ス タ や 抵 抗 で 生 じ た 熱 は ， ま ず 半 導 体 素 子 か ら モ ジ ュ ー ル 基 板 へ の 熱 伝 導 に よ り プ リ ン ト 基 板 に 伝 え ら れ る ． 次 に ， プ リ ン ト 基 板 内 の 配 線 層 な ど を 主 た る 放 熱 経 路 と し て 熱 伝 導 に よ り 熱 が 拡 散 さ れ ， ネ ジ 止 め 部 を 介 し て 接 触 熱 伝 達 に よ り 筐 体 ， 即 ち ケ ー ス （ パ ネ ル ） に 伝 え ら れ る ．
1 緒言
筐 体 で さ ら に 熱 伝 導 に よ り 熱 が 拡 散 し ， 最 後 に 主 に 接 触 熱 伝 達 に よ り ， 周 囲 の 環 境 ， つ ま り ユ ー ザ の 皮 膚 に 放 熱 さ れ る ．
こ の う ち ， パ ワ ー ア ン プ の 製 品 設 計 だ け に 注 力 す る の で あ れ ば ， 半 導 体 素 子 か ら プ リ ン ト 基 板 ま で の 熱 伝 導 問 題 だ け を 扱 え ば よ く ， 本 論 文 の モ ジ ュ ー ル 熱 設 計 の 章 に お い て も ， 主 に こ の 範 囲 の 問 題 を 取 り 扱 っ て い る ．
但 し ， 携 帯 電 話 な ど の 移 動 体 通 信 シ ス テ ム 用 の 端 末 に 限 ら ず ， デ ジ タ ル 家 電 な ど の 分 野 に お い て ， 昨 今 は 個 々 の 部 品 を 調 達 し て ， ア ッ セ ン ブ リ だ け で 製 品 化 し て し ま う 企 業 が 増 え て い る ． こ の た め ， 部 品 製 造 者 側 に お い て ， あ る 程 度 ， 最 終 製 品 の 実 装 設 計 ま で 実 施 し ， 推 奨 構 造 を 提 供 す る こ と が 顧 客 満 足 度 の 高 い 部 品 提 供 方 法 と な り つ つ あ る ． 携 帯 電 話 の 筐 体 熱 設 計 の 場 合 ， 盲 点 と な っ て い る の が ， 随 所 に 存 在 す る 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 問 題 で あ る ． 接 触 問 題 に つ い て は ， 数 値 解 析 モ デ ル に 組 み 込 む た め に は 実 験 的 な 検 証 が 必 要 で あ り ， こ の 問 題 が モ デ ル に 組 み 込 ま れ れ ば ， 他 の 熱 伝 導 の 問 題 は ， 解 析 規 模 の 制 約 は あ る と し て も ， 数 値 解 析 的 な 評 価 は 可 能 で あ る ．
Front Panel Printed Circuit Board
Heat Conduction Contact Heat Transfer
Rear Panel
Semiconductor Module (Heat Source)
Semiconductor Module (Source)
Printed Board Front/Rear Panel
Thermal Path form Heat Source to Ambient
User Heat Conduction
(Diffusion)
図 1.7 携帯電話に搭載された熱源から周囲環境までの放熱経路
1 緒言
図 1.8は 移 動 体 通 信 用 パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に つ い て ，そ の デ ザ イ ン フ ロ ー を 示 し た も の で あ る ． 本 論 文 の 第 2 章 で 述 べ る 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 実 験 的 検 討 の 結 果 は ，ア ッ セ ン ブ リ の み で 端 末 を 開 発 す る よ う な 顧 客 向 け に 筐 体（ ケ ー ス ） 構 造 ま で の 推 奨 構 造 を 含 め て パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル を 提 供 す る 場 合 に 有 効 な デ ー タ で あ り ， そ れ 以 外 の 開 発 項 目 は ， 本 論 文 で 述 べ る 熱 物 性 計 測 技 術 や 数 値 解 析 を 用 い た 熱 設 計 技 術 の 適 用 に よ り ， 遂 行 可 能 な 項 目 で あ る ．
図 1.8に 示 し た デ ザ イ ン フ ロ ー に お い て ，パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 温 度 が 実 際 に ど う 変 化 し ， 解 析 結 果 と ど の 程 度 の 精 度 で 一 致 す る か に つ い て は ， 実 験 的 な 検 証 を 行 う ． 具 体 的 に は ， パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル 内 の ト ラ ン ジ ス タ の ダ イ オ ー ド 成 分 に つ い て ， そ の 抵 抗 要 素 が 温 度 依 存 性 を 持 つ こ と を 利 用 し て ， ト ラ ン ジ ス タ と し て 発 熱 さ せ た 後 ， 上 記 の ダ イ オ ー ド の 温 度 を 電 気 的 に 測 定 し ， ト ラ ン ジ ス タ 動 作 時 の 温 度 を 逆 問 題 的 に 求 め る 手 法 を 用 い る[1-4]． こ の 手 法 は ノ イ ズ が 大 き いこ と か ら 精 度 は そ れ ほ ど 高 く な い た め ，±5 %程 度 の 範 囲 ま で 実 験 的 な 評 価 結 果 と 解 析 結 果 が 一 致 す る よ う ， モ デ ル の 合 わ せ 込 み を 行 い な が ら 設 計 す る ． モ デ ル の 合 わ せ 込 み に お い て 重 要 な の が ， 各 材 料 の 熱 物 性 値 ， 寸 法 ， 界 面 の 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 見 積 り も し く は 評 価 で あ る ． 熱 物 性 値 の 問 題 に つ い て は ， 後 述 す る ．
以 上 示 し た よ う に ， デ ザ イ ン フ ロ ー に お い て 実 験 的 な 検 証 を 実 施 す る 必 要 が あ る の は ，ま ず は 物 性 値 と 界 面 の 熱 コ ン ダ ク タ ン ス で あ る ．こ れ ら を 検 証 し た 上 で ， 製 品 の 寸 法 や 内 部 の レ イ ア ウ ト の 評 価 を 行 い ， そ の 結 果 を 元 に 試 作 し た プ ロ ト タ イ プ を ベ ー ス に 実 際 の 熱 的 な 特 性 を 実 測 評 価 し て 数 値 解 析 の モ デ ル の 修 正 を 行 っ て い く ． こ の 意 味 に お い て ， デ ザ イ ン フ ロ ー 上 は 離 れ た 位 置 に あ る が ， 接 触 界 面 の 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 問 題 を 予 め 検 討 し て お く 価 値 が あ る ． 物 性 値 と 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 問 題 ， つ ま り は 数 値 解 析 で 使 用 す る 物 性 デ ー タ や 境 界 条 件 の デ ー タ が 蓄 積 さ れ て い れ ば ， 解 析 規 模 や モ デ ル の 単 純 化 な ど の 問 題 は 残 る と し て も ， デ バ イ ス 内 部 か ら 携 帯 電 話 筐 体 全 体 ま で の 一 括 し た 熱 設 計 が ， 数 値 解 析 ベ ー ス で 可 能 と な る の で あ る ．
と こ ろ で ， 本 論 文 に お け る 数 値 解 析 を 用 い た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に お い て は ， 解 析 の 範 囲 と し て ， ト ラ ン ジ ス タ 内 部 の 薄 膜 の 影 響 や ト ラ ン ジ ス タ か ら モ ジ ュ ー ル 基 板 裏 面 ま で の 問 題 ま で を 取 り 扱 っ て い る が ，図 1.8 で 従 来 手 法 の 一 部 と し て 示 し た ， プ リ ン ト 基 板 を 含 む 範 囲 ま で の パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 の フ ロ ー は ， 製 品 の 開 発 で は 実 際 に 適 用 し て い る ．
図 1.9は そ の 一 例 を 示 し た も の で あ る が ，Siチ ッ プ を 利 用 し た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル が マ ザ ー ボ ー ド で あ る 樹 脂 基 板 上 に 搭 載 さ れ て 空 間 に 保 持 さ れ ， 自 然 放 熱
1 緒言
に よ り 放 熱 し た 場 合 の 温 度 上 昇 を 評 価 し た も の で あ る ． 評 価 に お い て は ， プ リ ン ト 基 板 に つ い て は パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル を 使 用 す る セ ッ ト メ ー カ の 標 準 的 な 基 板 構 成 と 推 測 さ れ る 構 造 を 元 に プ リ ン ト 基 板 を モ デ ル 化 し ， 常 温 の 空 気 と 自 然 対 流 に よ り 放 熱 す る と 仮 定 し た ．
な お ， プ リ ン ト 基 板 の 構 造 を 標 準 化 し て ， 恒 温 槽 内 の 自 然 対 流 で 上 記 標 準 プ リ ン ト 基 板 に 搭 載 さ れ た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル を 冷 却 し た 場 合 の 温 度 上 昇 の 測 定 手 段 に つ い て は ，JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)の JEDEC Standard No. 51[1-4]で 寸 法 等 が 規 定 さ れ て い る ．こ の JEDEC の 規 格 に 準 拠 し た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル に 関 す る 実 験 的 な 温 度 評 価 の 結 果 と ， セ ッ ト メ ー カ 側 の 製 品 筐 体 内 に 搭 載 し た 場 合 の 温 度 上 昇 の 関 連 付 け も 重 要 な 設 計 課 題 と な っ て お り ， 製 品 の 熱 設 計 に お い て は ， 自 社 基 準 の 温 度 分 布 測 定 手 法 に 基 づ く 特 性 と ， 顧 客 （ セ ッ ト メ ー カ ） 側 の 筐 体 に 実 装 し た 場 合 の 特 性 と ，JEDEC の よ う な 当 該 業 界 の 標 準 手 法 を 用 い て 評 価 し た 場 合 の 特 性 の ， そ れ ぞ れ の 検 証 が 必 要 で あ り ， か つ ， こ れ ら の 定 量 的 な 関 係 を 顧 客 に 提 示 す る こ と が 求 め ら れ て い る ．
次 に ，熱 設 計 と 他 の 実 装 設 計 の 関 係 で あ る が ，図 1.8に 示 す フ ロ ー チ ャ ー ト は 熱 設 計 に 関 す る も の で あ り ， こ れ と 並 行 し て ， 強 度 信 頼 性 や 落 下 衝 撃 に 関 す る 応 力 解 析 ， あ る い は ， 半 導 体 素 子 か ら モ ジ ュ ー ル ま で の 回 路 解 析 ， モ ジ ュ ー ル 搭 載 基 板 な ど の 電 磁 界 解 析 を 並 行 し て 行 い ， 製 品 開 発 を 進 め て い る ． 本 来 の 製 品 設 計 に お い て は ， こ れ ら の 評 価 を 一 括 し て 一 連 の 流 れ と し て 行 う ， コ ン カ レ ン ト な エ ン ジ ニ ア リ ン グ を 遂 行 す る た め の 開 発 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム が 重 要 で あ る が ， 実 用 化 と い う 点 で は ， 現 状 で は ， 将 来 に 向 け て の 課 題 で あ る ．
図 1.10は ，図 1.8に 示 し た 熱 設 計 の フ ロ ー チ ャ ー ト の う ち ，移 動 体 通 信 用 パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 の 基 本 部 分 を 抽 出 し た も の で あ る ． 図 1.8 の 流 れ は 携 帯 電 話 に 搭 載 さ れ る ケ ー ス に 特 化 し て 記 述 し て い る が ，図1.10 の 熱 設 計 の デ ザ イ ン フ ロ ー は ， 実 際 に は ， 移 動 体 通 信 用 に 限 ら ず ， 汎 用 的 な 発 熱 部 品 の 熱 設 計 の デ ザ イ ン フ ロ ー に 相 当 す る ． 本 論 文 で は ， こ の う ち ， モ デ ル 化 時 に 必 要 な 熱 物 性 値 の デ ー タ 取 得 に 関 す る 議 論 と ， 二 段 階 に 分 け て 実 行 す る 熱 解 析 に 関 す る 議 論 を 中 心 に 論 じ る も の と す る ． こ れ ら の 手 法 が 完 成 す る こ と で ， 移 動 体 通 信 だ け で な く ， 汎 用 的 な 熱 設 計 手 法 が 確 立 で き る の で あ る ．
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