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SiC パワーデバイス

熱シミュレーション用 ２抵抗モデル
熱シミュレーションで使用する熱モデルのなかで、最もシンプルな２抵抗モデルについて説明します。ここで言う熱シミュレーションは３次元モデル熱伝導、熱流体解析ツールを対象としています。

ディスクリート製品など単機能なデバイスに最適です。また簡単なモデ

熱シミュレーション用モデル

ルのためシミュレーションの解析速度は速いですが、３モデル中で最も精度が低いです。DELPHI モデルは LSI にも対応しており、パッケー

熱シミュレーション用モデルには Figure 1 に示すように、コンパクト熱モ

ジの様々な使用環境に対して一様に誤差が小さくなるように多抵抗デル（CTM）と詳細モデルの２種類に分類できます。

ネットワークで表現したモデルです。少ない素子数で解析速度と精度CTM は JEDEC 半導体技術協会で 2 種類の熱モデルが規格化されが比較的良いバランスがとれたモデルです。ただし、過渡熱解析には未ています。２抵抗モデルはディスクリートと LSI に対応しており、構造は対応です。

パッケージをジャンクションから上下に分けただけの簡単なモデルのため、

コンパクト熱モデル（CTM）

種類
規格２抵抗モデル

DELPHI モデル

JESD15-3

JESD15-4

詳細モデル
なし

Case NodeTop Inner

Top Outer
ThermalResistors

θJCtopJunction
Node

形状

Junction(heat source)

Leads

θJB

Bottom Inner

Bottom Outer

Board Node

概要

・パッケージをジャンクションから上・パッケージを多抵抗ネットワークで表現したモ・詳細な寸法や材料の物性値など下に分けただけの簡単なモデル

デルが含まれている詳細なモデル

・ディスクリート製品など単機能なデバイスに最適

精度

Good

Better・３モデル中で最も精度が低い
良くない点

・過渡解析未対応

・過渡解析未対応

Best
・規格がなく、品質にばらつきあり・シミュレーション時間が長い
・ツール間の互換性がない

Figure 1. 熱シミュレーション用モデル© 2020 ROHM Co., Ltd.

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チップの熱源からの熱は２つの方向へ流れます。１つはパッケージ上一方で詳細モデルは規格がなくモデルの品質は作成した会社ごとに異面から周囲への放射および対流熱伝達、またはパッケージ上部に取りなります。モデルを作成するために詳細な寸法や材料の物性値が必付けられたヒートシンクへ流れます。あと１つはパッケージ裏面とリードか要で、これらの情報を入手するには通常秘密保持契約（NDA）がら PCB へ流れ込みます。また、このモデルではパッケージ側面から周囲必要です。詳細モデルは精度が最も良いですがシミュレーションに時間の流体に伝達される熱の流れは考慮されていません。

がかかります。また、規格がないため熱解析ツール間の互換性がありません。

熱抵抗テスト環境の概要

２抵抗モデルの説明

熱抵抗の測定方法は、θJB が JEDEC Standard JESD51-8 に、θJC は JESD51-14 に記載されています。ここでは２つの熱抵抗のテ２抵抗モデルの物理的な配列は Figure 2 のように３つのノードで構スト環境の概要を説明します。詳細は JEDEC Standard を参照し成されています。パッケージには単一の集積回路が含まれていて、温てください。

度は単一の温度ノードで表現されています。熱流路は熱抵抗ネットワークを使用して表しています。Junction Node はチップの熱源、CaseθJB のテスト環境

Node はパッケージの上面、Board Node はデバイス端から 1mm の

θJB の測定は Junction Node で発生した熱が基板側へ伝わるような位置の基板温度を表しています。ジャンクションからケースおよびジャン環境を用います。Figure 3 にテスト環境の概要図を示します。リング

クションからボード間は２つの熱抵抗で接続されています。これらの熱型コールドプレートは流体（主に水）で冷却されています。コールドプ

抵抗値は JEDEC Standard の熱テストから生成されます。測定値

レートで基板を両面からクランプし、熱がパッケージから基板の内面でが利用できない場合は、テスト環境をシミュレーションする検証済みの放射状に流れるようにします。さらにコールドプレートの上部と下部のパ詳細モデルから抽出された値を使用します。詳細モデルからの抽出にッケージ開口部は断熱材を用いて周囲環境温度と遮断します。基板は Simcenter Flotherm™*1 などの 3 次元熱流体解析ツールを使の温度は熱電対で測定しますが、モニターポイントはパッケージの１辺用します。の中心で、なおかつ外周から 1mm 以内の場所で測定します。

加熱電力は Junction Node に発生します。

デバイスへ電力を印加し、定常状態でのジャンク温度と基板温度を測Case Node はパッケージの最上部のすぐ上の環境（通常は空気ま定します。θJB は式(1)から決定されます。

たはヒートシンクと一緒に使用される熱伝導材料）と直接熱接触していると見なされます。

𝜃𝐽𝐵 ＝

Board Node はパッケージのフットプリントの直ぐ下の環境（通常はプ

𝑇𝐽 − 𝑇𝐵
[℃/𝑊]
𝑃

(1)

TJ: P の電力を印加後にデバイスが定常状態に達したときの接合部リント配線基板）と直接熱接触していると見なされます。

温度[°C]
TB: 定常状態での基板温度 [°C]

Case Node

P: 接合部温度の変化を生じさせた消費電力 [W]θJCtopθJC のテスト環境
JunctionNodeθJC の測定は古くから MIL-STD-883E に記載されているように、水冷銅ヒートシンクと接触する、接合部とケース表面の温度差を熱電対でθJB直接測定することによって決定されていました。熱電対によるケース温度の測定はエラーを起こしやすいため、これらの結果は再現性がよくあBoard Node

りませんでした。これはパッケージケースに潜在的な温度分布があるた

Figure 2. ２抵抗熱モデルの物理的な配列

め、熱電対とケースの接点が最大ケース温度ではない可能性があるためです。また、熱電対がコールドプレートに対して十分に断熱されていないため、温度が低くなる場合があります。

*1: Simcenter Flotherm™は Siemens Industry Software Inc.の商標です。
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Application NoteJESD51-14 では熱電対によるケース温度の測定なしでθJC の測定使用時の考慮事項再現性を大幅に向上しています。Figure 4 にテスト環境の概要図を示します。コールドプレートは流体（主に水）で冷却されています。テ２抵抗モデルは JEDEC Standard 環境で測定した熱抵抗であるた

スト対象デバイスをコールドプレート上に固定し、ケース表面とコールドめ、それ以外の環境に適用して温度見積もりを実施すると誤差が生じプレート間に良好な熱接触を確保するために、ケース上部より十分なることを認識したうえで使用する必要があります。θJB と θJC は、基板レ強度で圧力をかけます。デバイス上部への熱の流れを最小限に抑える

ベルの熱シミュレーションモデルに組み込むための熱性能の指標としてため、締め付け部品は熱伝導率が低い材料で断熱する必要がありま使用できます。基板レベルのシミュレーションで情報がどのように使用さす。

れるか、また結果の精度はその他環境のモデル化誤差や離散化誤差、シミュレーションソフトウェアによっても異なります。θJB と θJC は主に性能測定はデバイスの接合部温度をモニターし、２種類の過渡熱抵抗 Zθ

指数であるため、基板レベルのシミュレーション結果の精度は、詳細モJC を測定します。２種類とは、デバイスとコールドプレート間の熱界面デルで得られる精度よりも低くなります。そのため温度の絶対値を予測剤 TIM（熱伝導グリースやオイル、シートなど）を使用しない場合するために２抵抗モデルを使用する場合は注意が必要です。設計初（Dry）と使用した場合（Wet）です。測定した２種類の過渡熱期に基板サイズや部品配置などおおよそ決定する時や、異なるパッケ抵抗の分岐点からθJC を求めます。

ージ間で相対的な違いを確かめるのに適しています。

ジャンクション温度
パッケージ
リング型コールドプレート
断熱

基板温度測定用
熱電対

1mm

断熱

水路
基板

基板

断熱

Figure 3. θJB テスト環境の概要図
左：俯瞰図、右：テストフィクスチャの断面図

締め付け部品の断熱コンタクトブロック
テスト対象のデバイスダイ接続（はんだなど）

リード

締め付け力

チップ

熱界面材
TIM: Thermal Interface Material
冷却水

銅コールドプレート

Figure 4. θJC テスト環境の概要図© 2020 ROHM Co., Ltd.

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参考資料
[1] JESD51:1995, Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Devices)[2] JESD51-1:1995, Integrated Circuit Thermal Measurement Method - Electrical Test Method[3] JESD51-3:1996, Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages[4] JESD51-8:1999, Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions – Junction-to-Board[5] JESD51-12.01:2012, Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information[6] JESD51-14:2010, Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case ofSemiconductor Devices with Heat Flow Through a Single Path
[7] JESD15-1:2008, Compact Thermal Modeling Overview[8] JESD15-3:2008, Two-Resistor Compact Thermal Model Guideline[9] MIL-STD-883E, METHOD 1012.1, Thermal Characteristics, 4 November 1980

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