◆セミナー報告　≫第35回セミナー（26.07.15）

第35回　アナログ技術トレンド（HAB研）セミナ報告 ※　高周波・アナログ半導体技術セミナより、セミナ名称を変更しました
□テーマ：「パワーモジュール放熱技術の動向」 □日　時： 平成26年 7月15日（火）　14：00-17：00 □場　所： 京都テルサ　西館3階　第2会議室　（京都府民総合交流プラザ）　 　今回のテーマに、自動車、電車、ロボット、モータ、太陽光発電、風力発電、空調など、幅広い分野において、電力制御に使われているパワーモジュールの放熱技術を取り上げた。パワーモジュールとその放熱機器には、小型・高密度化、大放熱化、高耐熱化が進んでいる。この分野の最前線で活躍されている３名の方を講師にお招きし、最新の状況、将来動向などをお話し戴いた。 　４７名の参加があり、講演後には質問が多く出た。また、セミナー終了後の交流会にも多くの方々が参加され、講師を囲んで活発な意見交換が行われ、様々な新たな連携が促進された。 　以下、講演概要を報告する。
◆基調講演：「パワーモジュールの放熱設計と信頼性」 　　　　　加柴 良裕 氏（三菱電機株式会社　生産技術センター　主管技師長）
現在主流のIGBTパワーモジュールでは、最近の30年間の微細加工の進歩によで、損失が1/4に改善された。また、低損失化に加えてパッケージの高放熱化、ジャンクション温度の高温化により、パワーモジュールのパワー密度は、2000年からの10年で5倍近くに向上している。特に、SiCデバイスの実現によって、小形化は加速される。 　産業用モジュールでは、放熱および電気絶縁用レジンシートを用いることにより、モールド樹脂封止型パワーモジュールが実用化されている。更に小形化の為に、パワーモジュールの両面冷却、パワーモジュールと放熱器をグリスレス接続する方向に技術開発が進められている。 　チップ下接合部の信頼性向上には、モールド樹脂による封止、はんだ剤の機械特性の改善、銀ナノ粒子を用いた焼結接合等のはんだレス接合の技術が開発されている。チップ上接合部の信頼性向上には、モールド樹脂による封止、Alワイヤボンドレス構造（リード接合、リボンボンディング、Cuワイヤボンディング等）の開発が進んでいる。 　パワーモジュールの実装技術として、チップ、配線導体、フィンベースをモールド樹脂により一体化した後、フィンを加締め加工するパワーモジュールの開発も進んでいる。 　今後は、インバータまでを捉えたインテグレーション技術が重要である。
◆講演：「各種接触熱抵抗低減材料の有効熱伝導率測定法と 　　　　　　　　　　　　　　　　　ヒートパイプ式高性能空冷ヒートシンクの開発事例紹介」 　　　　　大串 哲朗 氏（広島国際大学　工学部　情報通信学科　客員教授）
パワーモジュールのベース板からヒートシンクに放熱する時の界面熱抵抗を減少させることの重要性が指摘された。ここで、フィラー剤と伝熱面（ベース板やヒートシンク）間に生じる接触熱抵抗が界面熱抵抗である。界面熱抵抗には、伝熱面のうねりや表面粗さや酸化状態、押しつけ圧力、硬さや熱伝導率など多くの因子が影響している。なお、伝熱面の金属どうしが強固に接触している部分は対向している面積の1/10000程度である。 　この界面熱抵抗を測定する装置を開発した。測定の原理は一方向熱流定常比較法である。この装置では、接触式変位計を用いて接触面空隙部長を測定でき、接触面の圧力の調整が出来る。 シリコーンゴムシートの熱抵抗を測定した結果では、接触面の圧力が100kPa以下ではシート材の伝導熱抵抗より界面熱抵抗の方が大きい。圧力を500kPa以上に上げると、界面熱抵抗は低下し、シート材の伝導熱抵抗が支配的になる。 　JIN MAOビルディング（上海）向け超高速エレベータの巻上機用IGBTモジュールのヒートシンクの開発例が紹介された。ここでは、空調用熱交換器をヒートシンクに応用し、ヒートシンクの冷却能力を従来に比べて約３倍に向上できた。空調用熱交換器は次の様な特長を有している。 ・フィンの放熱性能が大で、ヒートシンクを小型化できる。　・銅パイプを使っているので、ヒートポンプの作動流体に水を使用できる。　・空調用熱交換器は大量生産されているので、価格が安い。 　導電性接着剤の熱伝導率測定装置、プリント基板の面内方向熱伝導率測定装置も紹介された。
◆講演：「パワーモジュールの高放熱化技術　−モールド型モジュールを中心に− 」 　　　　　三村 研史 氏（三菱電機株式会社　先端技術総合研究所　主席研究員）
最新のモールドタイプのパワーモジュールでは、ヒートスプレッダーの下に高熱伝導絶縁シートを配置しており、このシートを経由してパワーチップの発熱をヒートシンクに放熱する。高熱伝導絶縁シートは電気絶縁性と高熱伝導性を兼ね備えたシートで、熱伝導性の高い粒子をフィラーとした複合樹脂材料で作られている。 　代表的なフィラーは鱗片状の六方晶BN（h-BN）である。h-BNの充填率を70%以上の限界まで高めた複合樹脂材料の熱伝導率は10W/mKレベルで、ほぼ限界に達している。そこで、鱗片状のh-BNの配向方向を分散させる工夫によって、複合樹脂材料の熱伝導率を更に向上させることが可能である。 　また、マトリックス樹脂の熱伝導率を大きくすることによって、複合樹脂材料の熱伝導率を大きくできる。樹脂の熱伝導率を大きくする方法として、樹脂に液晶骨格を導入する方法や磁場配向による方法が研究されている。これらの方法によって、エポキシ樹脂の熱伝導率を0.8〜0.9W/mK程度に向上できる可能性がある。

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