半導体の発熱メカニズムおよび熱設計・シミュレーション技術

近年では、機器の電動化が進み、電源回路、モータ駆動回路を中心に、パワー半導体の熱設計が重要になってきている。また、コンピュータ性能の向上に加え、スマートフォンやAI、自動運転技術といった新たなアプリケーションニーズから、マイクロプロセッサの熱管理についても改めて注目が集まっている。 　本セミナーでは、これらの半導体の熱設計の考え方、3次元シミュレーションを用いる際の注意点や半導体のモデル化に関する動向について解説する。

1. 熱設計基礎
   1. 伝熱現象の基礎
      1. 熱の三態
      2. 熱物性値
   2. 熱抵抗の考え方
      1. 熱抵抗の定義
      2. ターゲット熱抵抗と伝熱経路の熱抵抗
      3. 半導体の熱抵抗と熱パラメータ
2. 半導体パッケージの構造と伝熱経路
   1. パワー半導体パッケージの構造
      1. ディスクリート (個別) 半導体パッケージの構造
      2. パワーモジュールの構造
   2. マイクロプロセッサパッケージの構造
   3. 半導体の発熱メカニズム
      1. パワー半導体の発熱
      2. マイクロプロセッサの発熱
   4. 半導体パッケージの伝熱経路と主な放熱機構
      1. 半導体パッケージの伝熱経路
      2. ヒートスプレッダ
      3. ファン付きヒートシンク
      4. リモートヒートエクスチェンジャ
      5. 水冷モジュール等
   5. 先端半導体パッケージと放熱構造
      1. 半導体の微細化技術の限界とチップレット化の流れ
      2. 2.5次元実装と放熱構造
      3. 3次元実装と放熱構造
3. シミュレーションを用いた半導体の温度予測
   1. 半導体の3次元熱シミュレーション基礎
      1. 3次元熱シミュレーションの流れ
      2. 半導体を含むモデルの作成
      3. メッシュ (グリッド) の生成
      4. シミュレーションの実行と結果の確認
   2. 熱回路網を用いた温度予測基礎
      1. 電気と熱の相似性
      2. 熱回路網の構成
   3. 熱回路網を用いた温度予測における課題と解決策
      1. 従来の熱抵抗を用いた伝熱経路表現の限界と解決手法
      2. 非定常温度予測 (モデルベース設計的手法の必要性)
   4. 熱回路網を用いた伝熱経路の把握
4. 半導体の熱モデルの開発動向
   1. 半導体の熱モデルにおける課題
      1. 半導体の熱モデル作成時の根本的課題
      2. 温度予測精度と計算負荷
   2. コンパクト熱モデル
      1. 従来のコンパクト熱モデル
      2. 近年開発されたコンパクト熱モデル
   3. その他の近年の動向