パワーモジュールの熱はどこを通って逃げますか？

半導体チップで出た熱は、はんだ、銅の回路、セラミック基板、銅、はんだ、ベース板、熱伝導グリース（TIM）、冷却板を通って冷却水へ流れます。各層の熱抵抗の和が接合部から冷却水までの熱抵抗で、損失を掛けると温度上昇になります。熱は下へ行くほど広がるので、下の層ほど面積が大きくなります。

パワーモジュールの熱抵抗で一番大きいのはどこですか？

多くの場合、冷却側（冷却板と冷却水の間）とグリースです。計算例の窒化アルミ基板・間接冷却では、全体0.47 K/Wのうち冷却側が0.26、グリースが0.09 K/Wで、両方で約75%でした。セラミック基板はアルミナなら0.12 K/Wと大きいですが、窒化アルミや窒化ケイ素では0.03 K/W程度です。

直接冷却にするとどれくらい下がりますか？

ベース板にピンフィンをつけて冷却水に直接触れさせると、グリースがなくなり冷却側の熱伝達も上がります。例では窒化アルミ基板で0.47 K/Wから0.21 K/Wに下がり、100 Wで冷却水65 ℃のとき接合部温度が112 ℃から86 ℃になりました。電気自動車のインバーターで広く使われている方式です。

パワーモジュールの冷却

カテゴリ: 電子機器の冷却 | 2026-10-01 改稿

CAE visualization for power module cooling theory - technical simulation diagram

パワーモジュール冷却

理論：層を重ねた熱抵抗

概要

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インバーターのIGBTの温度が上限に近いです。基板を高いものに変えるべきでしょうか？

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まず熱抵抗の内訳を出してから決めよう。チップの熱は、はんだ、銅、セラミック基板、ベース板、グリース、冷却板と、何層も通って冷却水へ流れる。それぞれの層に熱抵抗があって、合計に損失を掛けたのが温度上昇だ。どの層が大きいかで、効く対策はまったく違う。基板を変えても、実は冷却側やグリースが大半を占めていれば、効果は小さい。熱は下の層に行くほど広がるから、同じ厚さでも下の層ほど熱抵抗は小さくなる点も覚えておこう。

積層の熱抵抗

$$ R_{th,j\text{-}c} = \sum_i R_i, \qquad R_i = \int_{z_i}^{z_i + t_i} \frac{dz}{k_i\,w(z)^2},\ \ w(z) = a_0 + 2z, \qquad T_j = T_{cool} + P\,R_{th} $$

各層の熱抵抗を、熱が45°の角度で広がると仮定して積分した。$a_0$ はチップの幅、$w(z)$ は深さ $z$ での広がった幅、$k_i$・$t_i$ は各層の熱伝導率と厚さ。

$$ R_{cool} = \frac{1}{h_{eff}\,A} $$

冷却側は、広がった面積 $A$ と、フィンの効果も含めた実効の熱伝達率 $h_{eff}$ で表した。

Coffee Break よもやま話

鉄道から電気自動車へ

IGBTは1980年代に実用化され、大電流を高速にスイッチングできる素子として、鉄道車両や産業用のモーター駆動に広がった。初期のモジュールは、アルミナ基板とグリースで冷却板に取り付けるのが一般的だった。2000年代にハイブリッド車や電気自動車が普及すると、小さく軽いインバーターで大きな電力を扱うために、熱伝導の良い窒化アルミや窒化ケイ素の基板、グリースをなくしてベース板を冷却水に直接触れさせる直接冷却が使われるようになった。冷却の工夫が、そのまま出力密度の向上につながっている。

計算例：10 mm角のチップで100 W

チップ（厚さ0.12 mm）、はんだ0.1 mm、銅0.3 mm、セラミック、銅0.3 mm、はんだ0.2 mm、銅のベース板3 mm、グリース0.1 mm（熱伝導率3 W/mK）、冷却板（実効熱伝達率10,000 W/m²K）の構成。直接冷却はグリースなし・ピンフィンで実効30,000 W/m²K。冷却水65 ℃、損失100 W。

構成	セラミック	グリース	冷却側	合計	接合部温度
アルミナ・間接	0.117	0.093	0.277	0.583 K/W	123 °C
窒化アルミ・間接	0.027	0.089	0.263	0.470 K/W	112 °C
窒化ケイ素・間接	0.028	0.095	0.281	0.499 K/W	115 °C
アルミナ・直接	0.117	—	0.094	0.307 K/W	96 °C
窒化アルミ・直接	0.027	—	0.089	0.208 K/W	86 °C

その他の層（チップ・はんだ・銅・ベース板）は合計で約0.1 K/W。アルミナ（0.38 mm）、窒化アルミ（0.63 mm）、窒化ケイ素（0.32 mm）は代表的な厚さ。

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基板をアルミナから窒化アルミに変えると11 ℃下がるけど、直接冷却にすると、アルミナのままでも27 ℃下がるんですね。

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そう。内訳を見ると、間接冷却では冷却側とグリースで全体の6〜8割を占めている。基板は、アルミナだと2割ほどあるから変える意味はあるけど、一番大きな所ではない。直接冷却はグリースをなくし、ピンフィンで冷却側の熱伝達も上げるから、大きく効くんだ。もちろん、冷却水の流量を上げる、グリースを薄くするといった手もある。どの層が大きいかを数字で見てから、費用に対して効果の大きい対策を選ぶのが基本だよ。

解析の進め方

チップの損失（導通損失とスイッチング損失）を運転条件ごとに求める。
1次元の積層モデルで熱抵抗の内訳を出し、改善すべき層を見つける。
3次元の伝熱解析で、複数チップの熱の干渉と冷却水の温度上昇を入れる。
過渡の熱インピーダンスを求め、運転パターンでの接合部温度の変動を計算する。
温度の変動幅から、はんだ接合などのパワーサイクル寿命を見積もる。

Coffee Break よもやま話

「新品は冷えていたのに」

インバーターを数年使ったところで、同じ負荷でもIGBTの温度が10 ℃以上高くなっていた——という例がある。調べると、ベース板と冷却板の間のグリースが、温度の上がり下がりによる反りの繰り返しで少しずつ外へ押し出され（ポンプアウト）、隙間に空気が入っていた。グリースの熱抵抗は新品の2倍以上になっていた。グリースを相変化型の材料に変え、ベース板の反りを抑える締め付けにしたところ、経年の上昇は小さくなった。熱抵抗の内訳は、使っている間に変わることもある。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
内訳を見ずに対策	効果の小さい投資	熱抵抗の内訳を出す
熱の広がりを無視	下の層を過大評価	広がりを入れる
グリースを理想の薄さで	実機で温度が高い	実測の厚さ・経年劣化
定常だけで評価	温度変動の寿命を見落とす	過渡の熱インピーダンス
チップ間の干渉を無視	中央のチップが熱い	3次元で解く

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ヒートシンク設計ツールで冷却側を試せるよ。関連するページは接合部温度、熱抵抗、熱界面材料、ヒートシンクの設計、簡易熱モデルが参考になる。