Formulation of multiscale thermal model in SiC power semiconductor device

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K13707
• Research Institution: Tokyo University of Science, Yamaguchi
• Principal Investigator: 木伏 理沙子 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (30781596)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: パワー半導体 / SiC / 熱・電気連成解析 / ホットスポット

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、 次世代半導体のデバイスとして期待されるSiCパワー半導体デバイスの高信頼性を実現するためのマルチスケール・サーマルモデルの構築を目指す。パワー半導体デバイスの信頼性を向上するためには、最も高温値を示すSiCパワー半導体ダイ内部に発生するナノ・マイクロスケールホットスポットの温度上昇を抑制する必要がある。正確なナノ・マイクロスケールのホットスポット温度は、ミクロな観点での発熱を考慮するとともに、半導体ダイから、ダイに接合される様々な部品を介して外気までの熱移動を把握しなければ取得することができない。つまり、ミクロとマクロの異なるスケールでの伝熱を考慮しなければならない。そこで本研究では、半導体ダイから外気までの主な伝熱経路を予測するため、まず実測による熱移動経路の予測結果とCFD(Computational Fluid Dynamics)を併用することで、半導体パッケージ内部の熱移動経路を予測し、発熱量と各経路への熱移動量を取得するためのデータベースを構築する。さらにミクロ的な発熱を把握するために、熱・電気連成解析を用いてダイ内部の伝熱特性の評価を行い、これらを統合することでマクロとミクロの伝熱を考慮した、ホットスポット温度予測手法を構築することを大目的としている。実験による熱経路の特定であるが、予定した全ての機器を設置し、シェイクダウンまでは到達したが、現状の装置では冷却器が搭載されておらずチップの耐熱温度にすぐに到達してしまうため、低発熱量での試験となり、発熱量をパラメータとした熱移動経路の特定が困難であった。また、ナノ・マイクロホットスポットを予測するために用いる熱・電気連成解析の改良については、電界が高い場合に安定的に解析を実行することが困難である状態であるため、さらなる改良が必要であると考えている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

実験については、現状では発熱量をパラメータとした場合に、チップの耐熱温度の限界により、広範囲の発熱量で実験を実施することが困難であるため、冷却器を搭載した場合の熱経路の特定を行わなければならない。しかし、様々な冷却器を想定した試験が必要であること、さらに、冷却器によって変化する放熱経路特定のため、より高精度な測定が必要なことから、試験に時間を要することが想定される。さらに、熱・電気連成解析においては、高電圧が印加されると想定される場合に、計算が安定しないことが課題となっており、安定を図るための改良が必要であると考えている。

Strategy for Future Research Activity

実験については、冷却性能の異なる冷却器をいくつか選定し、冷却性能をパラメータに含め、高発熱量の場合の試験までを実施できるような体系への改良が必要であると考えているが、パラメータが増加するため、試験期間を延長して熱経路の特定を実施を行う必要があると考える。熱・電気連成解析については、安定化を図るための緩和の調整などを行う。

Causes of Carryover

本年度は予定していた学会への参加が叶わなかったため、次年度の冷却器の購入と、学会参加のために使用させていただきたいと考えている。