結論

6 結論

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  次 に ， ト ラ ン ジ ス タ が 形 成 さ れ る 半 導 体 素 子 か ら ， 素 子 を 搭 載 す る 配 線 基 板 ま で の 評 価 を 行 う ． ま ず 定 常 解 析 に よ り ， 最 大 定 格 で 動 作 し た 場 合 の 熱 抵 抗 が 設 計 仕 様 と し て の 許 容 範 囲 以 内 に 収 ま る か を 評 価 す る ． 条 件 を 満 た さ な い 場 合 は ， ト ラ ン ジ ス タ の 配 置 や ， 構 成 材 料 の 厚 さ な ど の 設 計 変 更 可 能 な 寸 法 因 子 ， あ る い は 配 線 基 板 側 の 放 熱 経 路 の 見 直 し を 実 施 す る ． さ ら に ， 過 渡 温 度 応 答 に よ り ， 実 動 作 時 の 温 度 上 昇 を 評 価 し て ， こ の 温 度 上 昇 も 設 計 仕 様 を 満 た す ま で ， 構 造 の 修 正 を 実 施 す る ．

  以 上 が 汎 用 的 な パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 の 手 法 で あ り ， 本 論 文 で 対 象 と し た 移 動 体 通 信 用 パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の み な ら ず ， 汎 用 的 な 設 計 手 法 と し て 各 種 の 半 導 体 素 子 の 熱 設 計 に 適 用 す る こ と が 可 能 で あ る ．

  本 論 文 で は ， こ れ に 加 え て ， 本 来 は パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の ユ ー ザ が 設 計 を 行 う ， モ ジ ュ ー ル を 搭 載 す る プ リ ン ト 基 板 ， お よ び ， プ リ ン ト 基 板 を 実 装 す る 筐 体 全 体 の ， 熱 設 計 の デ ザ イ ン フ ロ ー を 明 ら か に し た ． そ の 詳 細 に つ い て は ， 本 論 文 で は 定 量 的 な 評 価 の 結 果 を 示 さ な か っ た が ， プ リ ン ト 基 板 ま で の 評 価 の 事 例 に つ い て は 定 性 的 な 結 果 を 提 示 し ， ト ラ ン ジ ス タ か ら プ リ ン ト 基 板 ま で ， 基 本 的 に は ， 全 て の 発 熱 領 域 の 詳 細 構 造 を モ デ ル に 残 し た ， 一 括 設 計 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た ．

  上 記 の 熱 設 計 の 特 徴 は ，微 細 な デ バ イ ス 構 造 ，も し く は ト ラ ン ジ ス タ 構 造 か ら ， ト ラ ン ジ ス タ 群 ， ト ラ ン ジ ス タ が 形 成 さ れ た 半 導 体 素 子 と 素 子 を 形 成 し た 配 線 基 板 ， 配 線 基 板 ま で の パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル と そ れ を 搭 載 し た プ リ ン ト 基 板 ， さ ら に は プ リ ン ト 基 板 を 搭 載 し た 筐 体 全 体 と ， ミ ク ロ か ら マ ク ロ を 構 成 し て い く ， ボ ト ム ア ッ プ の 設 計 手 法 を 採 用 し て い る こ と に あ る ． ま た ， マ ク ロ ス ケ ー ル の 熱 設 計 に お い て ， 極 力 ミ ク ロ の 構 造 を 残 し て ， ミ ク ロ の 構 造 が マ ク ロ の 特 性 に 与 え る 影 響 の 大 小 と ， マ ク ロ ス ケ ー ル の 熱 的 特 性 を ミ ク ロ の 構 造 側 か ら 修 正 で き る 余 地 を 残 し て い る こ と も 大 き な 特 徴 で あ る と 言 え る ． こ の 結 果 ， 特 に 試 作 前 段 階 の 評 価 か ら 着 手 す る と い う こ と も あ り ， マ ク ロ ス ケ ー ル の 熱 的 特 性 を 改 善 す る た め の 対 策 を デ バ イ ス ， も し く は 半 導 体 素 子 の デ ザ イ ン に 直 接 フ ィ ー ド バ ッ ク す る こ と が 可 能 と な り ， 設 計 の 自 由 度 の 大 幅 な 改 善 が 実 現 で き た ．

  上 記 の よ う な 熱 設 計 の 精 度 を 向 上 さ せ る た め に ， ま た ， 筐 体 全 体 の 熱 設 計 に お け る 不 確 定 要 素 と し て 残 る た め に ， 事 前 の 評 価 が 必 要 と さ れ る 課 題 に ， 使 用 さ れ る 薄 膜 構 造 体 や マ ク ロ な 構 造 体 の 熱 物 性 と ， 筐 体 内 の 放 熱 経 路 に お け る 接 触 界 面 の 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 改 善 と い う 問 題 が あ る ． こ の よ う な 熱 設 計 の 精 度 向 上 に 必 須 と さ れ る ， 熱 物 性 計 測 お よ び 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス 改 善 手 法 と し て は ， 以 下 の

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よ う な 結 論 と 構 想 を 得 た ．

(1) 接 触 界 面 に 柔 軟 な 金 属 箔 を 挿 入 す る こ と や ，界 面 を 構 成 す る 柔 ら か い 方 の 材 料 に さ ら に 柔 ら か い 金 属 を 成 膜 す る こ と に よ り ，接 触 界 面 の 熱 コ ン ダ ク タ ン ス を 約 2 倍 に 向 上 す る こ と が で き る ．こ の よ う な 手 法 は ，開 発 対 象 と し て い る 携 帯 電 話 端 末 に 搭 載 す る パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に つ い て は ，搭 載 基 板 と 機 器 筐 体 間 の 接 触 問 題 の 解 決 に 寄 与 で き る ．

(2) 薄 い 材 料 の 熱 拡 散 率 や 材 料 と 材 料 の 間 の 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス に つ い て ，光 学 的 な 手 法 を 用 い る こ と に よ り ， 非 接 触 ・ 非 破 壊 で 計 測 で き る 技 術 を 開 発 し た ． Siと Al 6061 合 金 に つ い て 熱 拡 散 率 を 評 価 し た 結 果 ， 文 献 で 報 告 さ れ て い る 他 の 測 定 結 果 と 比 較 し て ±2 %の 範 囲 で 一 致 す る こ と を 明 ら か に し ， 熱 拡 散 率 計 測 技 術 と し て 十 分 な 精 度 を 有 す る こ と を 明 ら か に し た ．

(3) 界 面 の 熱 抵 抗（ 熱 コ ン ダ ク タ ン ス ）に つ い て は ，光 学 的 手 法 に よ り 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス を 信 号 と し て 検 出 す る こ と に 初 め て 成 功 し た ．ま た ，試 料 界 面 に お け る 局 所 的 な 圧 力 を 均 一 化 す る た め の 試 験 方 法 を 考 案 し た ．

(4) 上 記(2)で 開 発 し た 熱 拡 散 率 計 測 技 術 を 用 い て 測 定 し た 物 性 値 を 利 用 し た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 検 証 モ デ ル に つ い て ，有 限 要 素 法 を 用 い た 数 値 解 析 の 結 果 と 実 験 結 果 が 1 %以 内 の 範 囲 で 一 致 す る こ と を 確 認 し ， 開 発 し た 計 測 技 術 の 妥 当 性 を 確 認 し た ．

(5) 上 記 光 学 的 な 計 測 手 法 は ，単 に 熱 拡 散 率 や 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス を 測 定 す る だ け で な く ，製 造 プ ロ セ ス に お い て ，前 工 程 で の 薄 膜 間 の 密 着 性 が 劣 化 し た 場 合 の 検 出 や ，後 工 程 で の 接 合 部 材 の 剥 離 や ボ イ ド の 検 出 等 の よ う な ，不 具 合 の 非 接 触 そ の 場 測 定 技 術 と し て も 適 用 が 可 能 で あ る こ と を 提 言 し た ．

  次 に ， 上 記 の よ う な 物 性 評 価 技 術 と そ れ に 基 づ く デ ー タ ベ ー ス に 立 脚 し て い る こ と を 前 提 に ， 本 章 で 最 初 に 述 べ た 特 徴 を 有 す る 数 値 解 析 を 援 用 し た パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に 関 し ， 有 限 要 素 法 と 超 並 列 計 算 機 の 利 用 に よ り ， パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル 内 部 か ら 配 線 基 板 ま で の ， モ ジ ュ ー ル 全 体 ま で の 熱 設 計 を 数 値 実 験 的 に 一 括 し て モ デ ル 化 で き る こ と を 明 ら か に し た ．

  こ の よ う な 一 括 設 計 は ， 従 来 は 計 算 機 能 力 の 不 足 か ら 実 現 困 難 な も の で あ っ た が ， 昨 今 の 計 算 機 事 情 の 改 善 に よ り ， 設 計 技 術 と し て 実 行 可 能 な 水 準 と な っ た ． 本 論 文 で 行 っ た モ デ ル 化 の 要 点 と 課 題 と し て ，以 下 の 点 を 提 言 と し て 整 理 し た い ． (1) 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の デ バ イ ス レ ベ ル か ら モ ジ ュ ー ル レ ベ ル ま で ，あ る い は プ リ

ン ト 基 板 レ ベ ル ま で の 一 括 解 析 を 行 う 場 合 ，直 交 六 面 体 メ ッ シ ュ を 利 用 す る こ と が 望 ま し い ． こ れ は ， 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 特 徴 と し て ，

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①   半 導 体 素 子 お よ び 搭 載 基 板 が ， 基 本 的 に 薄 い 薄 膜 を 層 状 に 積 層 し た 構 造 を 有 し て い る こ と ，

②   筋 状 の 細 長 い 長 方 形 の 発 熱 領 域 や 配 線 層 な ど の 構 造 体 が ， あ る ル ー ル に 従 っ て 同 一 層 内 に 分 散 配 置 さ れ て い る こ と ，

③   設 計 デ ー タ が 層 ご と の レ イ ア ウ ト デ ー タ と し て 整 理 さ れ て お り ， 断 面 形 状 は SEM写 真 や プ ロ セ ス 条 件 か ら 別 デ ー タ と し て 保 有 さ れ て い る こ と な ど が 主 な 理 由 で あ る ．

(2) 将 来 的 に は 演 算 速 度 や 主 記 憶 領 域 の 容 量 ，並 列 計 算 機 の ノ ー ド 数 の 大 幅 な 拡 張 が 実 現 す れ ば ，ボ ク セ ル 解 析 手 法 を 適 用 し た 等 間 隔 メ ッ シ ュ に よ る モ デ ル の 自 動 作 成 が 可 能 に な る と 予 想 さ れ る が ，現 状 の 計 算 機 能 力 の 限 界 を 考 え る と ，メ ッ シ ュ に 粗 密 を 持 た せ て ，複 雑 な デ バ イ ス 構 造 の 内 部 か ら 基 板 ，も し く は プ リ ン ト 基 板 ，あ る い は 筐 体 ま で の 一 括 解 析 を 行 う べ き で あ る ．提 案 し た モ デ ル 化 手 法 を 用 い る こ と に よ り ，数100〜 数1000万 節 点 の 規 模 で ，モ ジ ュ ー ル レ ベ ル ， あ る い は プ リ ン ト 基 板 レ ベ ル で の 解 析 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し た ．こ れ は ，一 つ に は ，対 象 と す る 構 成 部 材 の ス ケ ー ル オ ー ダ ー が 10 nm の も の か ら 10 mmの も の ま で 10⁶の 開 き が あ り ， ボ ク セ ル の サ イズ を 10 nm とすると 10¹⁷節 点 規 模 ， 現 物 融 合 解 析 の 分 解 能 で あ る 1 µm 規 模 の ボ ク セ ル で あっ ても 10¹¹節 点 規 模 の 解 析 が 必 要 で あ り ，現 状 の 計 算 機 能 力 で は ，パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 設 計 手 法 と し て 現 実 的 で は な い た め で あ る ．

(3) ウ ェ ハ レ ベ ル ，基 板 レ ベ ル ，プ リ ン ト 基 板 レ ベ ル で ，そ れ ぞ れ の デ ー タ が 分 散 管 理 さ れ て い る と い う 問 題 点 が あ る ． 将 来 の 効 率 的 な 実 装 設 計 の 前 提 と し て ， そ れ ぞ れ の 設 計 者 間 で ， 共 通 の フ ォ ー マ ッ ト で 設 計 デ ー タ が 保 有 さ れ る こ と ， お よ び ，二 次 元 の マ ス ク レ イ ア ウ ト デ ー タ に 含 ま れ な い ，プ ロ セ ス に 依 存 し た 断 面 形 状 の 再 現 や ，セ ラ ミ ッ ク 系 基 板 の 焼 結 に よ る 収 縮 の 影 響 を 考 慮 し た 断 面 形 状 デ ー タ が 含 ま れ る こ と が 重 要 で あ る ．

(4) 使 用 し た モ デ ル ， お よ び ， 解 析 の フ ロ ー と し て は 以 下 の 手 法 を 提 言 し た い ．

①   パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル 内 部 に お け る ， 一 つ 一 つ の ト ラ ン ジ ス タ の 形 状 や 配 置 を パ ラ メ ト リ ッ ク に 検 証 す る こ と で ， 低 熱 抵 抗 化 と 温 度 分 布 の 低 減 を 実 現 す る こ と ．

②   単 一 ト ラ ン ジ ス タ に 関 す る 大 規 模 詳 細 評 価 を 一 旦 施 す こ と に よ り ， 素 子 内 部 の 熱 の 流 れ に つ い て ， 寄 与 率 の 高 い も の と 高 く な い も の を 見 極 め ， 有 意 な 寄 与 の あ る も の だ け を 一 括 検 討 モ デ ル に 組 み 込 む こ と ．

  上 記 の よ う な 特 徴 を 有 す る 有 限 要 素 法 モ デ ル を 用 い た 解 析 に よ り ， 以 下 の よ う

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な 事 実 を 明 ら か に し た ．

(1) 上 記 モ デ ル 化 手 法 を 元 に 製 品 全 体 の 発 熱 時 温 度 分 布 を 検 証 し ，単 に 定 常 状 態 で 発 熱 し て い る と き の 熱 抵 抗 を 評 価 す る の で は な く ，実 際 に 動 作 し て い る モ ー ド で の 温 度 分 布 を 求 め る こ と に よ っ て 設 計 仕 様 を 構 築 す る こ と が 重 要 で あ る こ と を 明 ら か に し た ．

(2) 周 期 発 熱 動 作 を 行 う パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 過 渡 的 な 温 度 応 答 は ，投 入 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 実 効 値 よ り 高 く な る ．こ れ は ，特 に 半 導 体 素 子 内 部 の 熱 容 量 が 相 対 的 に 小 さ い こ と に 起 因 す る ．

(3) 熱 容 量 の 大 き さ に も よ る が ，対 象 と し た GaAs HBT素 子 搭 載 パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 場 合 ， 周 期 発 熱 を 開 始 し て 10 周 期 目 程 度 ま で で モ ジ ュ ー ル 内 部 の 温 度 変 動 は ほ ぼ 同 じ 値 に 収 束 す る ．こ の 際 ，定 常 発 熱 の 条 件 で 熱 抵 抗 に 大 き な 差 が 生 じ て い た 構 造 が ，周 期 発 熱 時 は ほ ぼ 同 等 に な っ て し ま う 場 合 が あ る こ と が わ か っ た ．

(4) 半 導 体 素 子 内 部 の 発 熱 領 域 の レ イ ア ウ ト を 任 意 に 調 整 す る こ と に よ り ，同 じ 発 熱 損 失 で あ っ て も ，モ ジ ュ ー ル 熱 抵 抗 や ト ラ ン ジ ス タ 間 の 温 度 差 を 大 幅 に 低 減 で き る 見 通 し を 得 た ．

  こ れ ら の 知 見 に つ い て は ， 上 記 の よ う に ， デ バ イ ス 開 発 上 ， フ ィ ー ド バ ッ ク を か け る こ と が で き る と い う 点 が 重 要 で あ る ． 従 来 の 半 導 体 素 子 搭 載 モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 は ， 既 に 固 ま っ た デ バ イ ス 構 造 ・ レ イ ア ウ ト に 対 し て ， 設 計 と し て は 最 終 段 階 で 熱 抵 抗 を 低 減 す る 手 法 を 構 築 す る も の で あ っ た が ， 本 論 文 に よ り 検 証 し た モ デ ル 化 技 術 を 適 用 す る こ と に よ り ， 試 作 前 段 階 か ら ， 設 計 の 上 流 で 素 子 内 部 か ら の 熱 設 計 が 可 能 と な っ た ．

  ま た ， プ ロ セ ス に 膜 質 が 依 存 す る と 予 想 さ れ る 半 導 体 素 子 内 部 の 薄 膜 熱 物 性 に つ い て ， 測 定 対 象 の 膜 と 全 く 同 一 の プ ロ セ ス を 経 て 製 造 さ れ る 薄 膜 熱 物 性 測 定 TEGの 構 想 を 提 案 し た ．

  今 後 の 課 題 と し て は ， 数 値 解 析 ベ ー ス の 設 計 の 課 題 ， お よ び ， 最 初 に 検 証 し た 熱 物 性 計 測 技 術 の 高 精 度 化 ， 実 用 化 と ， そ こ で 蓄 積 さ れ た デ ー タ ベ ー ス に 基 づ く 熱 設 計 技 術 の 高 精 度 化 が あ る ．

  現 在 ， 数 値 解 析 ベ ー ス の 熱 設 計 の 不 確 か さ は ， 使 用 し て い る 材 料 物 性 の 有 効 数 字 や 解 析 時 の 丸 め 誤 差 ， 実 装 プ ロ セ ス に お け る 寸 法 誤 差 な ど を 考 え る と ±10 %程 度 に 過 ぎ な い が ， こ の 精 度 を 1 桁 改 善 す る た め の 基 盤 技 術 と し て ， 熱 物 性 計 測 技 術 の 高 度 化 を 図 る 所 存 で あ る ．

  な お ， 本 論 文 で 開 発 し た 数 値 解 析 を 援 用 し た 試 作 前 段 階 か ら の パ ワ ー 半 導 体 モ