みなさんこんにちは。営業の舟津です。
今回は、パワー半導体の熱抵抗についてお話をしたいと思います。
大電力を制御するためのMOSFETやIGBTなど、パワー半導体素子を使った回路では、その素子に加わる高電流・高電圧によって電力損失が生じ、高温で動作しますので、素子自体が定格温度内になっているかを確認する必要があります。
パワー半導体のデータシートを見るとその定格温度は半導体チップの接合部温度で規定されています。接合部の温度はパッケージの中に入っている半導体チップの温度のことです。これってパッケージの中にあるわけだから温度計を当てることなどできませんよね。そこで、熱抵抗というパラメータを使ってパッケージ内部の接合部温度を算出して評価を行います。
計算式は
Tj=P×Rth(j-ref)＋T(ref)
となりまして、この式にあるTjは接合部温度[単位：℃]、Pは半導体接合部で消費する損失値[単位：W]、Rth(j-ref)は熱抵抗値[単位：℃/W]です。Rth(j-ref)の“j”はジャンクション（接合部）を、“ref”は基準点を意味し、素子のケース表面であったり、空間（雰囲気）だったりします。基準点がケース表面の場合熱抵抗はRth(j-C)、基準点が雰囲気であればRth(j-A)と表現したりします。
この計算式の第一項の“P×Rth(j-ref)”は基準点と接合部の温度差を表します。また、T(ref)は基準点の温度です。
すなわち、損失に熱抵抗を掛け合わせると基準点と接合部間の温度差が分かり、基準点の温度が分かれば、接合部の温度を計算で求めることができます。
たとえば、パワー半導体の電力損失とケース表面温度が分かっていれば、データシートに記載している熱抵抗Rth(j-C)から接合部温度を計算することができるのです。
んっ？まてよ。損失は電圧と電流を測ればわかるし、ケース温度は温度計があれば測定できるけど、熱抵抗ってどうやって測るんだ？ まぁデータシートに書いてあるし、それを使えばいいや、って、もやもやした気持ちを残したまま次のお仕事をされている方もいるかもしれません。（熱抵抗は半導体メーカーが測ります。当たり前ですね。）
ではどうやって測るかというと、そのパワー半導体の特性の中で温度依存性のある特性を使います。たとえば、MOSFETでしたらドレイン・ソース間のボディダイオードはPN接合で構成されているので、その順方向電圧VFの温度係数は －２ｍV／℃ 程度の線形の温度特性を持っています。これはちょうどよい物差しになるので一般的にはこれを使うことが多いと思います。
このVFの温度係数を使って熱抵抗を測定する場合は、MOSFETに任意の電力を印加して、その印加前と後、それぞれのダイオード順方向電圧VFを測定するのですが、このときMOSFETはケース表面温度が自身の発熱で上昇しないように、巨大な金属の塊に水冷構造を付けた放熱器（無限大放熱器相当）に固定しておきます。
電力印加の前はケース表面TC とMOSFETケース内部にある接合部温度Tj0とは同じ温度となっていますのでTCと、ダイオード順方向電圧VF0を測定しておきます。
その後、電力損失PをMOSFETに印加しますと接合部の温度が上昇します。十分温度が高くなったところで電力損失を停止して直後のダイオード順方向電圧VF1を測定します。
ダイオード順方向電圧VFの温度係数が分かっていれば、この測定で電力印加したことにより接合部温度が何℃上昇したのかが次の計算式で求めることができます。
ΔTj＝（VF0－ VF1）／温度係数
温度係数は先ほど説明した－２ｍV／℃程度の値です。これは熱抵抗測定の前に温度特性を取得しておきます。
半導体ケースは先ほど説明した無限大放熱器に相当するものに固定してあるので表面温度は電力印加前後で変わらないとすれば、先ほど求めたΔTjがケース表面と接合部間の温度差になります。
したがって、接合部・ケース表面間の熱抵抗は下式により求めることができます。
ΔTj＝（VF0－ VF1）／温度係数
温度係数は先ほど説明した－２ｍV／℃程度の値です。これは熱抵抗測定の前に温度特性を取得しておきます。
半導体ケースは先ほど説明した無限大放熱器に相当するものに固定してあるので表面温度は電力印加前後で変わらないとすれば、先ほど求めたΔTjがケース表面と接合部間の温度差になります。
したがって、接合部・ケース表面間の熱抵抗は下式により求めることができます。
Rth(j-C)＝ΔTj／
P [℃/W]
以上が熱抵抗を測定する方法の概要です。
半導体製品によっては、基準点をケース表面ではなく空間雰囲気とした値をデータシートに規定していることがあります。こちらは先ほどの金属の塊の放熱器に半導体を取り付けることはせず空間雰囲気温度を基準とします。その他は同じ要領で測定しています。
熱抵抗以外にも、これってどうやって測定しているの？っていう特性がたくさんあると思います。弊社では、パワー半導体の各種特性測定の技術・ノウハウを有しておりますので、パワー半導体の測定に関してのご相談がありましたらお問い合わせいただければと思います。
【関連リンク】
＜ブログ＞
＜関連サービス＞
WTIメールマガジンの配信（無料）
WTIエンジニアが携わる技術内容や日々の業務に関わる情報などを毎週お届けしているブログ記事は、メールマガジンでも購読できます。ブログのサンプル記事はこちら
WTIメールマガジンの登録・メールアドレス変更・配信停止はこちら
WTIの技術、設備、設計/開発会社の使い方、採用関連など、幅広い内容を動画で解説しています。