発熱領域の幅の変更による低熱抵抗化

  モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 と 発 熱 領 域 間 の 温 度 差 を 低 減 す る た め に は ， 上 記 の よ う に ， 一 般 的 な 等 間 隔 の 配 置 の 場 合 と 比 べ て ， モ ジ ュ ー ル 中 心 部 の 温 度 を 下 げ ， 周 辺 部 の 温 度 は 上 げ る か ， も し く は 極 力 下 げ な い こ と が 重 要 で あ る ． 本 節 で は ま ず 不 等 間 隔 化 す る こ と で 上 記 目 的 を 達 成 す る た め の 手 法 を 検 討 し た が ， 同 様 の 効 果 は 発 熱 領 域 に 異 な る 発 熱 量 を 与 え る こ と に よ っ て も ， 得 る こ と が 可 能 で あ る ．

  本 節 で 用 い た 解 析 モ デ ル に お い て は ， 発 熱 領 域 ご と に 異 な る 発 熱 密 度 ・ 発 熱 量 を 与 え る こ と は 可 能 で あ る が ， こ こ で は ， 発 熱 密 度 は 一 定 で ， 発 熱 領 域 の 幅 を 調 整 し た 場 合 に つ い て ， 図 4.23 に 示 し た 等 配 ・ 等 幅 の 場 合 か ら の 熱 抵 抗 お よ び 発 熱 領 域 間 温 度 差 の 低 減 可 能 性 に つ い て 検 討 し た ． 均 一 発 熱 密 度 で あ る か ら ， 各 発 熱 領 域 の 発 熱 量 は ， そ の 幅 に 比 例 す る ． 結 果 を 図 4.26，4.27， お よ び 表 4.7に 示 す ．   図 4.26 は ， 発 熱 領 域 の 幅 を 0.2 µm 単 位 で 変 化 さ せ た 場 合 に モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 ， 発 熱 領 域 間 温 度 差 と も 最 低 に な っ た 例 を 示 し た も の で あ る ．表 4.7に 示 す 通 り ，発 熱 領 域 の 幅 ， も し く は 発 熱 量 の 比 は ，1.6 : 1.6 : 1.8 : 1.8 : 2.2 : 3.0で あ る ．

  図 4.25 お よ び 表 4.6 に 示 し た 疎 密 配 置 の 場 合 と 同 様 ， モ ジ ュ ー ル 中 心 部 か ら 周 辺 部 に 向 か っ て 温 度 が 上 昇 す る よ う 発 熱 量 を 徐 々 に 高 く す る 一 方 ， 一 番 端 の 発 熱 領 域 の 温 度 が 下 が り す ぎ な い よ う ， 若 干 発 熱 量 の 上 昇 量 を 多 く 設 定 し た 結 果 ， 発 熱 領 域 の 温 度 を 列 毎 に ほ ぼ 一 定 に 保 ち つ つ ，4th Line 周 辺 部 の 温 度 も 他 の 発 熱 領 域 か ら 極 端 に 下 が ら な い よ う に 保 つ こ と が で き る ． モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 は 図 4.25 に 示 し た 結 果 よ り 若 干 高 く な っ た が ， 発 熱 領 域 中 心 点 の 最 高 ・ 最 低 温 度 差 は 図 4.23 の 場 合 の 約 45 %ま で ， 縮 め る こ と が で き た ．

  図 4.27は ，図 4.26 の 場 合 と は 逆 に ，モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 ，発 熱 領 域 中 心 点 間 の 温 度 差 と も ， 図 4.23 の 例 よ り 大 き く な っ て し ま っ た 例 を 示 し た も の で あ る ． モ ジ ュ ー ル 中 心 部 の 発 熱 量 を 下 げ ， 周 辺 部 の 発 熱 量 を 高 く す る た め ， 極 端 に 発 熱 領 域 の 幅 に 差 を つ け た 結 果 ， 端 か ら 二 番 目 の 発 熱 領 域 の 温 度 が 上 昇 し す ぎ て し ま い ， 発 熱 領 域 中 心 点 間 の 温 度 差 も 非 常 に 大 き く な っ て し ま っ た ．

  図 4.26，4.27 よ り ， 発 熱 領 域 の 幅 ， も し く は 発 熱 量 を 不 均 等 に 設 定 す る 場 合 に お い て も ，疎 密 配 置 の 場 合 と 同 様 に ，モ ジ ュ ー ル 中 心 部 か ら 周 辺 部 に 向 か っ て 徐 々 に 発 熱 量 が 上 昇 す る よ う 設 定 し ， 端 部 に 重 み を つ け る こ と で モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 を 低 減 す る こ と が 可 能 で あ る こ と ， ま た ， 極 端 に 重 み を つ け す ぎ る と ， か え っ て 熱 抵 抗 も 発 熱 領 域 間 温 度 差 も 大 き く な っ て し ま う こ と が わ か っ た ． こ の 結 果 は ， 定 性 的 に は Liuら の 解 析 的 検 討 結 果^[4-1]と 一 致 し て お り ，熱 設 計 上 非 常 に 重 要 で あ る ．

4 パワー半導体モジュールの熱設計

  但 し ， 発 熱 領 域 の 成 膜 工 程 上 の 寸 法 に 一 定 の ば ら つ き が あ る こ と を 考 え る と ， 図 4.26 の 例 の よ う に 細 か く 発 熱 領 域 の 幅 を 制 御 す る こ と は ， 高 精 度 な プ ロ セ ス が 要 求 さ れ る た め ， 量 産 工 程 に お い て は コ ス ト メ リ ッ ト が 小 さ く な る 懸 念 が あ る ． フ ィ ン ガ ー 幅 を 揃 え て ， 供 給 電 流 に 差 を つ け る こ と で 発 熱 量 を 制 御 す る 場 合 も 同 様 で あ る ．

  従 っ て ， モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 と 発 熱 領 域 間 温 度 差 の 低 減 に 関 し ， 得 ら れ る 効 果 が 同 程 度 で あ る 場 合 は ， 発 熱 領 域 の 幅 や 発 熱 量 を 細 か く 変 え る よ り ， 発 熱 領 域 の 位 置 を 粗 密 配 置 す る こ と の 方 が ， メ リ ッ ト が 大 き い ． 本 論 文 で 検 討 し た よ う な 形 状 の 発 熱 領 域 の 場 合 ，そ の 幅 と 間 隔 は 約 10 倍 の 寸 法 比 が あ る こ と を 考 え て も ，回 路 特 性 等 に 影 響 を 与 え な い と い う 条 件 で は ， 疎 密 配 置 の 方 が 容 易 で あ る と 言 え る ．

50 60 70 80 90 100 110

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Distance from Module Center [×10

m]

Temperature Distribution on Top Surface of Semiconductor Substrate [%]

1st Line 2nd Line 3rd Line 4th Line

Distance from module center [×10

m]

Tem p erature distribution on top surface of sem iconduct o r substrate [ % ]

44.6% of ΔT_j in Figure 4

図 4.26  GaAs 基板の温度分布（発熱領域の幅の影響） 

44.6 % of ∆Tj in Figure 4.23

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50 60 70 80 90 100 110

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Distance from Module Center [×10

m]

Temperature Distribution on Top Surface of Semiconductor Substrate [%]

1st Line 2nd Line 3rd Line 4th Line

Distance from module center [ × 10

m]

Tem p erature distribution on top surface of sem iconduct o r substrate [ % ]

131.1% of ΔT_j in Figure 4

図 4.27  GaAs 基板の温度分布（発熱領域の幅の影響，ワースト） 

表 4.7  熱抵抗に与える隣接 HBT フィンガーの幅の影響 

∆T

[%]

R=

∆T/Q [%]

Width of HBT fingers [×10

m]

Fig.

4.27 4.26 4.23

1.0 1.6 2.0 1

1.0 1.6 2.0 1

-2

1.0 1.8 2.0 2

-3

131.1 105.1

4.0 4.0

1.0

44.6 90.9

3.0 2.2

1.8

100.0 100.0

2.0 2.0

2.0

5

-6

4

-5

3

-4

131.1 % of ∆Tj in Figure 4.23

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