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JP-2026076461-A - 熱シミュレーション装置および熱シミュレーション方法

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Abstract

【課題】 計算負荷が低く、精度が高い過渡熱シミュレーションが行える熱シミュレーション装置を提供する。 【解決手段】 パワー半導体モジュール３０を熱界面材料４０を介してヒートシンク５０に接続した状態を解析対象として過渡熱シミュレーションを行う熱シミュレーション装置１であって、解析対象の仕様に基づいて、パワー半導体モジュール３０の熱等価回路のCauerモデルである第１のモデル１０１と、熱界面材料４０およびヒートシンク５０の熱等価回路のCauerモデルである第２のモデル１０２とを、個別に構築するモデル構築部１１と、第１のモデル１０１の過渡熱シミュレーションと第２のモデル１０２の過渡熱シミュレーションとを個別に行うとともに、第１のモデル１０１の熱等価回路の最下段の出力である放熱量を、第２のモデルの熱等価回路の入力として用いて第２のモデルの過渡熱シミュレーションを行う解析部１２と、を有する。 【選択図】図４

Inventors

  • 佐々木 康二

Assignees

  • ミネベアパワーデバイス株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (7)

  1. パワー半導体モジュールを熱界面材料を介してヒートシンクに接続した状態を解析対象として過渡熱シミュレーションを行う熱シミュレーション装置であって、 前記解析対象の仕様に基づいて、前記パワー半導体モジュールの熱等価回路のCauerモデルである第１のモデルと、前記熱界面材料および前記ヒートシンクの熱等価回路のCauerモデルである第２のモデルとを、個別に構築するモデル構築部と、 前記第１のモデルの過渡熱シミュレーションと前記第２のモデルの過渡熱シミュレーションとを個別に行うとともに、前記第１のモデルの熱等価回路の最下段の出力である放熱量を、前記第２のモデルの熱等価回路の入力として用いて前記第２のモデルの過渡熱シミュレーションを行う解析部と、を有することを特徴とする熱シミュレーション装置。
  2. 請求項１において、 前記モデル構築部は、前記パワー半導体モジュールが第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを有する場合には、前記第１のモデルとして、前記第１のパワー半導体素子を熱源とする前記パワー半導体モジュールの熱等価回路のCauerモデルである第３のモデルと、前記第２のパワー半導体素子を熱源とする前記パワー半導体モジュールの熱等価回路のCauerモデルである第４のモデルとを、個別に構築し、 前記解析部は、前記パワー半導体モジュールが前記第１のパワー半導体素子と前記第２のパワー半導体素子とを有する場合には、前記第３のモデルおよび前記第４のモデルの過渡熱シミュレーションを行うとともに、前記第３のモデルおよび前記第４のモデルのそれぞれの熱等価回路の最下段の出力である放熱量を合計した総放熱量を算出し、前記総放熱量を前記第２のモデルの熱等価回路の入力として用いて前記第２のモデルの過渡熱シミュレーションを行うことを特徴とする熱シミュレーション装置。
  3. 請求項２において、 前記第１のパワー半導体素子はＩＧＢＴであり、前記第２のパワー半導体素子は前記ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードであることを特徴とする熱シミュレーション装置。
  4. 請求項１において、 前記モデル構築部は、前記パワー半導体モジュールの熱等価回路のFosterモデルをCauerモデルに変換するモデル変換部を有することを特徴とする熱シミュレーション装置。
  5. 請求項１において、 前記解析対象の仕様の入力を受け付ける入力部と、 前記解析対象の仕様を記憶する記憶部と、 前記解析部による過渡熱シミュレーションの結果を出力する出力部と、を有することを特徴とする熱シミュレーション装置。
  6. 請求項５において、 前記出力部は、前記解析部による過渡熱シミュレーションの結果を表示させる表示部を有することを特徴とする熱シミュレーション装置。
  7. パワー半導体モジュールを熱界面材料を介してヒートシンクに接続した状態を解析対象として過渡熱シミュレーションを行う熱シミュレーション方法であって、 前記解析対象の仕様に基づいて、前記パワー半導体モジュールの熱等価回路のCauerモデルである第１のモデルと、前記熱界面材料および前記ヒートシンクの熱等価回路のCauerモデルである第２のモデルとを、個別に構築し、 前記第１のモデルの過渡熱シミュレーションと前記第２のモデルの過渡熱シミュレーションとを個別に行うとともに、前記第１のモデルの熱等価回路の最下段の出力である放熱量を、前記第２のモデルの熱等価回路の入力として用いて前記第２のモデルの過渡熱シミュレーションを行うことを特徴とする熱シミュレーション方法。

Description

本発明は、熱シミュレーション装置および熱シミュレーション方法に関する。 パワー半導体の設計において、パワー半導体モジュールの熱抵抗と、損失から、過渡熱シミュレーションを行って、パワー半導体素子の接合温度を推定することが行われている。 過渡熱シミュレーションを行う方法の１つとして、ＦＥＭ（Finite Element Method）があるが、計算負荷が高いという問題がある。 また、ＦＥＭよりも計算負荷が低い過渡熱シミュレーションの方法として、Cauerモデルの熱等価回路を用いて過渡熱シミュレーションを行う方法がある。 Cauerモデルの熱等価回路を用いた過渡熱シミュレーションに関連する技術としては、例えば特許文献１がある。 特許文献１の図２、段落００２３には、半導体装置（２）が、第１のフレーム（５１）と、半導体チップ（５２）と、第２のフレーム（５３）と、モールド樹脂（５４）とを含み、半導体チップ（５２）は、第１のフレーム（５１）、第２のフレーム（５３）及びモールド樹脂（５４）によって封止されていることが記載されている。 そして、特許文献１の図３、段落００２５、００２６、００３４には、半導体装置（２）の下面側の部分に対応するCauer型の第１の熱等価回路（６１）と、第１の熱等価回路（６１）に接続され、半導体装置（２）の上面側の部分に対応するCauer型の第２の熱等価回路（６２）とを含む熱等価回路（３）が記載されている。 特開２０２３－４４３２８号公報 実施例の熱シミュレーション装置の機能ブロック図。実施例の熱シミュレーション装置を実現するための演算処理システムのハードウェア構成図。実施例の解析対象を説明する断面図。実施例のCauerモデルの一例を説明する熱等価回路。実施例の過渡熱シミュレーションの精度を説明する図。実施例のCauerモデルの他の例を説明する熱等価回路。比較例のCauerモデルを説明する熱等価回路。比較例の過渡熱シミュレーションの精度を説明する図。比較例のCauerモデルによる誤差要因を説明する熱等価回路。パワー半導体モジュールの過渡熱抵抗スペックの一例を説明する図。Fosterモデルを説明する熱等価回路。 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図において、同一または類似の構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。 図１は、実施例の熱シミュレーション装置の機能ブロック図である。 本実施例の熱シミュレーション装置１は、機能ブロックとして、制御部１０と、記憶部１５とを有する。制御部１０は、機能ブロックとして、モデル構築部１１と、解析部１２と、入力部１３と、出力部１４とを有する。モデル構築部１１は、機能ブロックとして、モデル変換部１１Ａを有する。出力部１４は、機能ブロックとして、表示部１４Ａを有する。各機能ブロックの詳細については後述する。 図２は、実施例の熱シミュレーション装置を実現するための演算処理システムのハードウェア構成図である。 本実施例の演算処理システム２０は、演算処理装置２１と、記憶装置２２と、入力インターフェース２３と、出力インターフェース２４と、通信装置２５と、これらを接続するバス２６とを有する。 演算処理装置２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを用いることができる。記憶装置２２は、例えば、メモリなどの主記憶装置や、ハードディスクなどの補助記憶装置などを用いることができる。入力インターフェース２３は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルなどの入力装置を用いることができる。出力インターフェース２４は、例えば、表示装置などの出力装置を用いることができる。通信装置２５は、例えば、ネットワークを介して通信を行う通信インターフェース装置などを用いることができる。 制御部１０の各機能ブロックは、例えば、演算処理システム２０上で、プログラムを実行することにより実現することができる。記憶部１５は、例えば、記憶装置２２により実現することができる。入力部１３は、例えば、入力インターフェース２３と、入力インターフェース２３からの入力を受け付けるプログラムにより実現することができる。出力部１４は、例えば、出力インターフェース２４と、出力インターフェース２４または記憶部１５への出力を制御するプログラムにより実現することができる。表示部１４Ａは、例えば、表示装置と、表示装置への出力を制御するプログラムにより実現することができる。 図３は、実施例の解析対象を説明する断面図である。 本実施例の熱シミュレーション装置１は、パワー半導体モジュール３０を熱界面材料４０を介してヒートシンク５０に接続した状態を解析対象として過渡熱シミュレーションを行う。 パワー半導体モジュール３０は、絶縁層３３と、絶縁層３３の一方の主面に設けられた配線層３２と、配線層３２に図示しない接合部材を介して接合されたパワー半導体素子３１と、絶縁層３３の他方の主面に接続されたベース３４とを有する。パワー半導体素子３１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子や、ダイオードなどのうち、少なくとも１つを含む。 パワー半導体モジュール３０のベース３４には、例えば放熱グリスなどの熱界面材料４０を介してヒートシンク５０が接続される。 各部分の温度は、パワー半導体素子３１の接合温度をＴｊ、ベース３４の下面（ヒートシンク５０が接続される側の主面）のケース温度をＴｃ、ヒートシンク５０の上面（パワー半導体モジュール３０が接続される側の主面）のヒートシンク温度をＴｈ、ヒートシンク５０の下面（放熱側の主面）の環境温度（外気温または水温）をＴａと定義する。 図４は、実施例のCauerモデルの一例を説明する熱等価回路である。 図１、図３、図４を用いて、熱シミュレーション装置１の動作を説明する。 モデル構築部１１は、解析対象の仕様に基づいて、パワー半導体モジュール３０の熱等価回路のCauerモデルである第１のモデル１０１と、熱界面材料４０およびヒートシンク５０の熱等価回路のCauerモデルである第２のモデル１０２とを、個別に構築する。 解析部１２は、第１のモデル１０１の過渡熱シミュレーションと第２のモデル１０２の過渡熱シミュレーションとを個別に行うとともに、第１のモデル１０１の熱等価回路の最下段の出力である放熱量（Ｑ１２）を、第２のモデル１０２の熱等価回路の入力（Ｑ２１）として用いて第２のモデル１０２の過渡熱シミュレーションを行う。 入力部１３は、解析対象の仕様の入力を受け付ける。 記憶部１５は、解析対象の仕様を記憶する。 出力部１４は、解析部１２による過渡熱シミュレーションの結果を出力する。結果の出力先は、記憶部１５でもよいし、出力インターフェース２４の表示装置でもよい。 結果を表示装置に表示させる場合は、表示部１４Ａは、解析部１２による過渡熱シミュレーションの結果を表示させる。 図４において、Ｑ（Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ２１）は熱量を示している。 第１のモデル１０１は、損失に相当する熱量（Ｑ１１）を入力として用いる。第１のモデル１０１は、入力（Ｑ１１）に直列に接続された熱抵抗Ｒ（Ｒ１１～Ｒ１４）と、それぞれの熱抵抗Ｒ（Ｒ１１～Ｒ１４）の前段側と、基準側との間にそれぞれ接続された熱容量Ｃ（Ｃ１１～Ｃ１４）とを有する。そして、最下段の出力がＱ１２となる。第２のモデル１０２は、このＱ１２を入力（Ｑ２１）として用いる。第２のモデル１０２は、入力（Ｑ２１）に直列に接続された熱抵抗Ｒ（Ｒ２１～Ｒ２２）と、それぞれの熱抵抗Ｒ（Ｒ２１～Ｒ２２）の前段側と、基準側との間にそれぞれ接続された熱容量Ｃ（Ｃ２１～Ｃ２２）とを有する。Ｒ１１の前段の温度がＴｊであり、Ｒ１４の後段の温度とＲ２１の前段の温度がＴｃであり、Ｒ２２の前段の温度がＴｈであり、Ｒ２２の後段の温度がＴａである。 図５は、実施例の過渡熱シミュレーションの精度を説明する図である。図５において、横軸は時刻ｔであり、縦軸は温度差ΔＴである。 図５では、比較の基準として、計算負荷は高いが精度が高いＦＥＭによる過渡熱シミュレーションの結果を実線で示し、ＦＥＭよりも計算負荷が低い本実施例による過渡熱シミュレーションの結果を点線で示した。ΔＴ（ｊ－ａ）は、ＴｊとＴａとの温度差を示し、ΔＴ（ｃ－ａ）は、ＴｃとＴａとの温度差を示し、ΔＴ（ｈ－ａ）は、ＴｈとＴａとの温度差を示している。また、ＦＥＭによる結果は、＿ＦＥＭを追記して示している。 図５に示す通り、本実施例による過渡熱シミュレーションの結果は、ＦＥＭによる過渡熱シミュレーションの結果に近く、精度が高いことがわかる。 以上説明した通り、本実施例によれば、パワー半導体モジュール３０を熱界面材料４０を介してヒートシンク５０に接続した状態を解析対象として過渡熱シミュレーションを行う場合に、計算負荷が低く、精度が高い過渡熱シミュレーションが行える熱シミュレーション装置１および熱シミュレーション方法を実現できる。 図６は、実施例のCauerモデルの他の例を説明する熱等価回路である。 図６では、パワー半導体モジュール３０が、パワー半導体素子３１として、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを有する場合の変形例である。例えば、第１のパワー半導体素子はＩＧＢＴであり、第２のパワー半導体素子はＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードである。このような回路構成は、電力変換回路などで一般的に用いられている。 モデル構築部１１は、パワー半導体モジュール３０が第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを有する場合には、第１のモデル１０１として、第１のパワー半導体素子を熱源とするパワー半導体モジュール３０の熱等価回路のCauerモデルである第３のモデル１０３と、第２のパワー半導体素子を熱源とするパワー半導体モジュール３０の熱等価回路のCauerモデルである第４のモデル１０４とを、個別に構築する。 解析部１２は、パワー半導体モジュール３０が第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを有する場合には、第３のモデル１０３および第４のモデル１０４の過渡熱シミュレーションを行うとともに、第３のモデル１０３および第４のモデル１０４のそれぞれの熱等価回路の最下段の出力である放熱量（Ｑ３２、Ｑ４２）を合計した総放熱量を算出し、この総放熱量を第２のモデルの熱等価回路の入力（Ｑ２１、Ｑ２２）として用いて第２のモデル１０２の過渡熱シミュレーションを行う。 第３のモデル１０３は、第１のモデル１０１のＱ１１、Ｑ１２、Ｒ１１～Ｒ１４、Ｃ１１～Ｃ１４が、それぞれＱ３１、Ｑ３２、Ｒ３１～Ｒ３４、Ｃ３１～Ｃ３４に置き換わったものに相当する。第４のモデル１０４は、第１のモデル１０１のＱ１１、Ｑ１２、Ｒ１１～Ｒ１４、Ｃ１１～Ｃ１４が、それぞれＱ４１、Ｑ４２、Ｒ４１～Ｒ４４、Ｃ４１～Ｃ４４に置き換わったものに相当する。また、第２のモデル１０２は、Ｑ２１に加え、Ｑ２２が入力として並列に接続されている。 そして、Ｑ３２をＱ２１の入力として用い、Ｑ４２をＱ２２の入力として用いることで、第３のモデル１０３および第４のモデル１０４のそれぞれの熱等価回路の最下段の出力である放熱量（Ｑ３２、Ｑ４２）を合計した総放熱量を算出し、この総放熱量を第２のモデルの熱等価回路の入力（Ｑ２１、Ｑ２２）として用いて第２のモデル１０２の過渡熱シミュレーションを行うことができる。 本変形例によれば、複数のパワー半導体素子を有する場合においても、計算負荷が低く、精度の高い過渡熱シミュレーションを行うことができる。 図７は、比較例のCauerモデルを説明する熱等価回路である。 本比較例は、通常考えられるCauerモデルの熱等価回路