冷たい基板が熱い半導体と合わさる

エレクトロニクス産業で使用される半導体部品は、動作時にますます高温を発するようになってきています。効率的な冷却にはプランゼーのハイテク材料が欠かせません。

動作電力が増せば増すほど、電気系統における温度管理に関する要求も増してきます。冷却が正しく行われていないと、半導体部品の効率性と信頼性が著しく損なわれます。電子部品の障害のゆうに半分以上が熱影響によるものであるのもこのためです。この種の障害が振動、湿気、ほこりその他の影響で生じることははるかに稀なことです。

必要なもの

 

基本的には、こうした熱関連の問題を克服するには、エレクトロニクス実装技術の分野における2つの重大な問題に取り組むことが必要です。つまり、どうすれば、できるだけ早く電子装置から熱を放散できるか? そして、どうすれば、半導体と基板間の材料アセンブリ内における有害な応力を防止することができるか?従来にも増して、エレクトロニクス実装設計者は、半導体が正しく動作する温度と装置の周囲温度との差という重要な問題に取り組まなければならなくなっています。電子部品の熱設計は、熱流束、すなわち、有効な表面域から確実に散逸させる必要のある熱量にも依存しています。この問題を深刻化しているのは、たいていの場合、最大の電力損がホットスポットと通称されるチップのきわめて小さな表面域に集中しているためです。パワーエレクトロニクスに使用される部品では、局所熱流束が最高動作温度150ºCにおいて、1平方センチメートル当たり数百ワットから1,000ワットまで変化することがあります。比較してみると、1平方センチメートル当たり2、3キロワットの熱流束はロケットノズルでも生じますが、このような用途での温度は摂氏2,500度以上にもなります。これに対し、熱いストーブトップリングは、1平方センチメートル当たりせいぜい8ワットどまりです。

2番目の重大問題は、「熱い半導体が冷たい基板と合わさる」という構成に関係しています。半導体と基板の熱伝導率・熱膨張に関わる特性および特徴が最適に調和化されていなければ、半導体への不要な歪みさらには破損、それに伴う障害は避けられません。逆に言えば、半導体と基板との特性の調和がうまくとれているほど、製造時に開催するろう付け工程と動作時に発生する温度サイクルに耐えられるようになります。

 

要するに、何よりもまず、基板材料の熱膨張特性は半導体のそれと概ね一致するものでなければならないということです。さらに、想定される熱流束のレベルが適切な基板材料の選定に極めて重要です。熱流束が大きいほど、材料の熱伝導率が良くなるはずです。

高い熱伝導率が低い熱膨張率と調和する

 

銅やアルミは比較的良好な熱導体であり、エレクトロニクス産業ではヒートシンクや接点として広く用いられています。とはいえ、熱膨張率が高いことが大きな短所になっています。したがって、これらの材料は大きな熱負荷にさらされる高性能半導体用の基板には適していません。

高融点金属のモリブデンとタングステンは、熱膨張率が低いため基板としての用途にうってつけです。これらの材料は、長年にわたってパワートランジスタ用基板として使用されてきました。モリブデン、タングステン、銅ベースの複合材料、熱伝導率の要件の厳しい用途向けに開発されてきました。これらの複合材料の銅含有量は、基板の熱的性質を完成アセンブリに適合させるように特に最適に調整することができます。

モリブデン-銅複合材は、比較的軽量なため、1グラムの差が重要になるこの種の用途に特に適しています。たとえば、自動車産業では、これらの材料が電気駆動装置内のインバータとして機能するIGBTモジュール用のサセプタとして使用されています。

理想の材料、作るのはもちろんプランゼー

 

プランゼーでは半導体製品のほか、エレクトロニクス産業における広範囲にわたる温度管理用途向けのヒートスプレッダ、ヒートシンク、基板などの部品も製造しています。原材料から完成品のコーティングを施した部品まで、生産工程のあらゆる段階を社内で行っています。

詳しくは、プランゼーの半導体部品用ヒートスプレッダのページをご覧ください。