パワーデバイス・パワーモジュールの過渡熱温度上昇(過渡熱抵抗)評価

放熱性の比較や定量、管理、推移の追跡ができます。

放熱性の評価の重要性

すべてのパワーデバイスは、最大動作ジャンクション温度Tjmaxを超えて使用することはできません。Tjを上げる要因はデバイスのジュール発熱です。パッケージの放熱性に難があると駆動できる電流の上限が下がります。また、放熱性のばらつきは寿命のばらつきにつながります。
過渡熱温度上昇評価法(または過渡熱抵抗評価法)はパワーデバイス(ヒートシンク取り付けのときも)の放熱性の比較や変化を定量的に測る簡便最適な手段です。

過渡熱温度上昇評価法の原理と活用例

日産アークは独自に製作した評価装置を使って、パワーデバイスの放熱性のベンチマークや劣化解析を行った経験が豊富にあります。
評価の原理は、右上図のように、パワーデバイスの順方向に定格電流レベルのパルス電流(または電圧)を印加して、印加の直前のVf1と直後のVf2計測し、温度に変換した後、両者の温度差ΔTjを求めます。パルス電流印加前後の温度差ΔTjが小さいほど、デバイスの放熱性がよいと言えます。何かの原因でΔTjが大きくなることは放熱経路の熱抵抗が増大したことを意味します。
右グラフは定格10 AのSiC-SBDをAMB両面Cu-SiN基板にAu-Geはんだと無加圧焼結ナノAgで接合させた2つのデバイス(樹脂封止なし)を-40~250℃の冷熱サイクル試験にかけたときのΔTjの変化(計測は右上図の条件)を示しています。サイクル数の進行とともに、ナノAg接合デバイスの放熱性が著しく悪化しているのが確認されます。

複合解析

断面SEM観察の結果、冷熱3000サイクル試験を終えた焼結ナノAgデバイス接合層は、下のように、 SiC/ナノAg界面、ナノAg/Cu界面とも亀裂が走り離間していることが確認されました。
オン抵抗やせん断強度、超音波顕微鏡像の推移を同時に観察すると、より精密な解析が達成できます。
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