熱解析シミュレーションによる半導体の発熱評価

1.はじめに
画像データ等の大容量化にともない、組込み機器でも高速な半導体が用いられるようになった。半導体の高速化に伴い、消費電力が増加し、その発熱問題が危惧されている。従来、熱設計は冷却用ファン付与、筐体による対策が主体であった。しかし、密閉化やファンレス化の要求が高まり、筐体設計に対する制約条件が厳しくなってきた。そこで、プリント基板の放熱性を高めることは、熱設計において、温度マージンを緩和させることに繋がる。

一方、熱流体解析ソフトの急激な進歩により、大規模な解析がPCで手軽に行えるようになった。これを上手く活用すれば開発・設計の強力な支援ツールとなる。熱解析の作業フロー図を図1に示す。

手順としては、プリント基板設計の部品配置を行った後に、シミュレーションツール上に解析対象モデルを作成する。モデルの作成については、CADデータを取り込むことが出来るため、そのデータを利用した。取り込んだ基板データに対して、部品の熱解析モデルと消費電力を設定することで、シミュレーションを実施することが出来る。なお、アウトプットとしては、部品お発熱と流体解析が出来るため、この結果により、部品配置を最適化する。

2.高速FPGA搭載ボードの熱実測とシミュレーションの比較
半導体の消費電力が増加傾向にあり、その放熱対策の要求が高い高速FPGA搭載ボードを使用し、消費電力の増加に伴うFPGA表面温度の推移を観測した。また、これをシミュレーション結果との比較を行なった。さらに、温度低減の為のシミュレーションを実施したので、その一例を紹介する。

高速FPGA搭載ボードの消費電力を約5W～10Wまで変化させ、サーモグラフィーによるFPGA表面のケース温度実測結果とシミュレーション結果の比較を行った。なお、ボードには、信号層が6層、電源・GND層が6層の12層基板のものを用いた。FPGAの消費電力が10.435Wの時の実測結果とシミュレーション結果を図2に示し、消費電力を変化させた際の結果を図3に示す。