パワーモジュール実装解析

チップで生まれた熱は、何枚もの層を順に通って放熱器へ逃げる。チップの下のはんだ、銅の配線、電気を絶縁するセラミック、もう一層の銅、基板を留めるはんだ、厚い銅のベース板、そして放熱器との間の放熱グリースだ。それぞれが熱抵抗を持ち、それを足し合わせたものに発熱量をかければ温度上昇になる。熱は層を下るにつれて横に広がるので、下の層ほど熱が通る面積が大きくなり抵抗は小さくなる。まずこの1次元の積み上げで、どの層が効いているかをつかみ、詳しくは3次元の熱解析で確かめる。

熱膨張の差が生むひずみの大きさだけでなく、セラミックがそれに耐えられるかが問題だからだ。熱サイクルでは、銅とセラミックの境界の端に大きな応力が集まり、セラミックが割れたり銅がはがれたりする。窒化ケイ素は破壊靱性がアルミナや窒化アルミの約2倍あり、割れにくいので、厚い銅を貼っても耐えられる。厚い銅は熱を横に広げるので、熱抵抗もさらに下がる。窒化アルミは熱伝導率は高いが割れやすく、厚さ0.635 mm程度が必要になる。表のように、薄い窒化ケイ素は厚い窒化アルミとほぼ同じ熱抵抗になる。もう一つ大事なのは、ここで一番大きい放熱グリースの層だ。基板やチップを良くしても、グリースが厚く塗られていれば温度は下がらないので、ベース板の反りやグリースの厚さの管理も含めて設計する。

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