熱シミュレーションモデル:三次元熱流体解析に対応した簡易CFDモデルをMOSFETで拡大中

Facebook 東芝デバイス&ストレージ 公式X LinkedIn

熱解析の重要性

近年、電子機器セットの小型化、高密度実装、高い周囲温度などの厳しい使用環境により、使用される電子部品の選定、配置、基板設計などの際にさまざまな熱の問題が発生します。そのため、伝熱の三つの形態 (熱伝導、対流、放射) を含めた熱シミュレーションを用いた熱設計の重要性が高まっています。

熱シミュレーションを行うためにはセットの筐体や基板、搭載している部品などの熱モデルが必要となります。当社は、MOSFETを中心に熱シミュレーションに適する簡略化したCFDモデルを作成し、公開を開始しました。この簡易CFDモデルを熱流体解析ツールで使用することで、三次元の挙動 (温度分布や流速) を可視化したシミュレーション結果を得ることができます。

簡易CFDモデルについて

  • CFDとはComputational Fluid Dynamicsの略で、ここでは三次元熱流体解析を意味します。
  • デバイスモデルは、このCFD用に放熱経路へ影響を及ぼす部材をブロック形状に簡略化した三次元モデルです。(図1左をご参照)
  • デバイスモデルと合わせて提供される部材の物性値は一般的な値を調整したものを使っています。(図1右をご参照)
  • モデルのファイル形式は、ISO標準のSTEP形式ですので、多くの3D CADツール間で互換性があり、さまざまな熱流体解析ツールで使用可能です。
図1:簡易CFDモデルの部材構成例
図1:簡易CFDモデルの部材構成例

簡易CFDモデルの使用方法は、アプリケーションノートをご参照ください。

簡易CFDモデルを使った解析事例

図2:表面温度分布 (全体、Mold表面と内部)
図2:表面温度分布 (全体、Mold表面と内部)

図2は、MOSFETに損失を与え発熱させたシミュレーション結果となります。MOSFETの温度上昇に伴う基板やヒートシンクへの熱の広がりを確認できます。

図3:セット周辺の流体表示 (流速、チャンバー内の移動経路)
図3:セット周辺の流体表示 (流速、チャンバー内の移動経路)

図3は、流速や解析時に設定したチャンバー内の熱の流れを表示した例です。セット周辺の流体 (空気) の速さや経路を確認することができます。

簡易CFDモデルがある対象MOSFET一覧は下記のWebページをご参照ください。

これは、ディスクリート半導体デバイスを使用する際の熱設計マネジメントの画像です。

ディスクリート半導体デバイスを使用する際の熱設計マネジメント

今日のディスクリート半導体の設計における熱設計マネジメントにはいくつかの有効な方法があります。