2022 Fiscal Year Annual Research Report
Formulation of multiscale thermal model in SiC power semiconductor device
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18K13707
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| Research Institution | Toyama Prefectural University |
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Principal Investigator |
木伏 理沙子 富山県立大学, 工学部, 助教 (30781596)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱設計 / パワーエレクトロニクス / ホットスポット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境負荷低減のため、低損失であるWBG半導体が期待されており、これを搭載した機器の信頼性のための熱設計が重要である。WBG半導体は高耐圧・高耐熱であるが、高電圧・高温環境の使用条件では他材料との接合界面で亀裂が生じる可能性がある。ここで、本研究ではWBG半導体を搭載した機器の信頼性のため、高精度な熱設計の実現を目指し、マクロ的な熱設計とミクロ的な熱設計の両立を目的とした。マクロおよびミクロ的な熱設計は同時に実施することが難しいため、ここではミクロ的ホットスポットの発生をマクロ的な条件から予測する手法を提案した。WBG半導体の中からシリコンカーバイド(SiC)に注目した。
(1)マクロ的な放熱評価：TO-220パッケージを対象に、実験的にパッケージ表面の温度を計測し、熱流体解析と比較することで解析の妥当性を検証した。妥当であった解析モデルを用いて冷却器を適用しない場合から、水冷の冷却器を用いる場合を想定した熱伝達率の範囲を仮定してTO-220パッケージ内の熱移動を評価したところ、どの条件下でも樹脂表面からの放熱はほぼ確認されず、電極への熱移動が支配的であった。
(2) ミクロ的な放熱評価：MOSFETを対象として、その内部におけるミクロ的なホットスポットの発生と、その温度を評価するため、熱・電気連成解析を用いた。ここでは、(1)の結果から半導体ダイから電極への放熱のみを考慮した境界条件を与えた。冷却性能の変化を考慮するため冷却面温度を、使用条件の変化を考慮するため印加電圧をパラメータとした。これらの解析の結果から、冷却面温度に対するミクロ的ホットスポットの温度上昇値と発熱量に相関性があったため、ミクロ的なホットスポット温度を発熱量と冷却面温度から予測する相関式の提案を行った。
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