JP5299360B2 - 熱抵抗測定治具、熱抵抗測定方法、及びサーマルグリース評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、発熱体と冷却板との間に設けられた被測定物の熱伝導率を測定する治具及び方法、及びサーマルグリースの劣化を評価する方法に関する。

パワーモジュールを冷却板に固定する際に、接触熱抵抗を低減するために両者に間にサーマルグリースが塗布される。近年、サーマルグリースが劣化するポンピンアウト現象が発見された。

なお、グリースを円柱状の加熱部と円柱状の冷却部の間隙に挟み、加熱部と冷却部に埋め込んだ熱電対で温度測定し、温度勾配からグリースの熱伝導率を求める方法は知られていた（例えば、特許文献１の段落００３５参照）。

特開２００２−２０１４８３号公報

しかし、従来は、実際のデバイスに近い条件でサーマルグリースの熱伝導率を測定する方法は無く、サーマルグリースの劣化（冷却能力の低下）を評価することができなかった。このためパワーモジュールの寿命に対するサーマルグリース劣化の影響が分からず、パワーモジュールの寿命を正しく推定できなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は実際のデバイスに近い条件で熱伝導率を測定することができる治具及び方法を得ることである。第２の目的は、サーマルグリースの劣化を評価する方法を得ることである。

本発明に係る熱抵抗測定治具は、発熱体の熱放散面と冷却板との間に設けられた被測定物の熱伝導率を測定する熱抵抗測定治具であって、互いに対向する第１主面と第２主面を有する熱拡散板と、前記熱拡散板の前記第１主面に設けられ、前記熱拡散板よりも高い熱抵抗率を持つスペーサと、前記スペーサ上に載置された第１の温度計と、前記熱拡散板の前記第２主面に設けられた第２の温度計とを備え、前記発熱体の前記熱放散面と前記冷却板との間に前記熱拡散板が挟まれ、前記発熱体の前記熱放散面と前記熱拡散板の前記第１主面との間に前記被測定物が配置され、前記第１の温度計が前記熱放散面に接触する。

本発明により、実際のデバイスに近い条件で熱伝導率を測定することができる。

実際のデバイスを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱抵抗測定治具により熱伝導率を測定する様子を示す断面図である。 図２の点線で囲った部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱抵抗測定治具を取り付ける様子を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱電対の温度の時間変化を示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱電対の最大温度及び最小温度の時間変化を示す図である。 サーマルグリースの熱抵抗を計算した結果を示す図である。

本発明の実施の形態に係る熱抵抗測定治具及び熱抵抗測定方法は、実際のデバイスに近い条件でサーマルグリースの熱伝導率を測定するものである。そこで、まずは実際のデバイスについて説明する。

図１は、実際のデバイスを示す断面図である。パワーモジュール１０は内部に複数の発熱部分１２を有する発熱体である。パワーモジュール１０はベース板１４を有する。ベース板１４の材質は、銅などの金属、合金、セラミックスの何れでもよい。このベース板１４の底面が、パワーモジュール１０の熱放散面１６である。冷却板１８は放熱フィン２２を有し、一定の雰囲気温度の中に置かれ所定の温度に制御されている。ただし、放熱フィン２２を設けずに、冷却板１８を冷却装置（図示せず）に熱的に接触させてよい。パワーモジュール１０の熱放散面１６と冷却板１８との間に、接触熱抵抗を低減するためのサーマルグリース２０が設けられている。

図２は、本発明の実施の形態に係る熱抵抗測定治具により熱伝導率を測定する様子を示す断面図である。パワーモジュール１０の熱放散面１６と冷却板１８との間に熱抵抗測定治具２４が設けられている。この熱抵抗測定治具２４により、サーマルグリース２０の熱伝導率を測定する。なお、ベース板１４の材質、パワーモジュール１０の温度変化、サーマルグリース２０とパワーモジュール１０との接触面積などは実際のデバイスと同じである。

図３は、図２の点線で囲った部分を拡大した断面図である。熱抵抗測定治具２４は、ヒートスプレッダ２６、スペーサ２８、及び熱電対３０，３２を備える。ヒートスプレッダ２６の材質は、銅などの熱伝導率の高い材料である。ヒートスプレッダ２６は、互いに対向する主面２６ａと主面２６ｂを有する。ヒートスプレッダ２６の主面２６ａの溝にスペーサ２８が設けられている。スペーサ２８はゴムなどの弾性体であり、ヒートスプレッダ２６よりも高い熱抵抗率を持つ。スペーサ２８の上面は、ヒートスプレッダ２６の主面２６ａから突出している。

スペーサ２８上に熱電対３０が載置されている。熱電対３０と対向して、ヒートスプレッダ２６の主面２６ｂに熱電対３２が設けられている。具体的には、熱電対３２を主面２６ｂの溝に入れ、その溝のすぐ横にポンチで穴３４を穿ち、溝をサイドから潰すことで熱電対３２を埋め込む。また、熱電対３０，３２の配線３６はヒートスプレッダ２６の貫通孔３８を通って外部に引き出されている。

なお、熱電対３０と熱電対３２はそれぞれ１個でもよいし、複数個でもよい。複数の温度計をそれぞれヒートスプレッダ２６の中央、外周、中央と外周の中間のように互いに離して配置すれば、各測定点の温度を取得できる。

ヒートスプレッダ２６は、パワーモジュール１０の熱放散面１６と冷却板１８との間に挟まれる。パワーモジュール１０の熱放散面１６とヒートスプレッダ２６の主面２６ａとの間にサーマルグリース２０が配置される。サーマルグリース２０は、ベース板１４とヒートスプレッダ２６の表面の凹凸を埋めて熱伝導を確保するために必要な厚さを有する。

図４は、本発明の実施の形態に係る熱抵抗測定治具を取り付ける様子を示す断面図である。予めサーマルグリース２０を塗布したパワーモジュール１０のベース板１４にヒートスプレッダ２６を押し当てることで、粘性体であるサーマルグリース２０はスペーサ２８の外側に流れ、弾性体であるスペーサ２８で押圧されて熱電対３０が熱放散面１６に接触する。

ヒートスプレッダ２６の主面２６ｂは冷却板１８に接触している。冷却板１８とヒートスプレッダ２６との間の熱抵抗をできる限り抑えるため、それらの表面は平坦にして、極薄い膜状にグリース（図示せず）を塗っている。

続いて、上記の熱抵抗測定治具を用いてサーマルグリース２０の熱抵抗を測定する方法について説明する。まず、パワーモジュール１０の発熱量を周期的に変化させ、熱電対３０の温度Ｔｃ及び熱電対３２の温度Ｔｆを複数回測定する。

図５は、本発明の実施の形態に係る熱電対の温度の時間変化を示す図である。熱電対３０の温度Ｔｃ及び熱電対３２の温度Ｔｆだけでなく、パワーモジュール１０に流れる電流Ｉとパワーモジュール１０で発生する電圧降下Ｖも図示している。サーマルグリース２０の熱抵抗のため、熱電対３０の温度Ｔｃと熱電対３２の温度Ｔｆに差が生じる。

図６は、本発明の実施の形態に係る熱電対の最大温度及び最小温度の時間変化を示す図である。縦軸は熱電対３０の最大温度Ｔｃｍａｘと最小温度Ｔｃｍｉｎ、熱電対３２の最大温度Ｔｆｍａｘと最小温度Ｔｆｍｉｎであり、横軸はサイクル数である。５台のパワーモジュールについて実験を行った。実験に用いたパワーモジュール１０のベース板１４の大きさは約１５ｃｍ×約２０ｃｍである。ヒートスプレッダ２６の大きさはベース板１４と同じであり、厚みは１ｃｍであり、材質は銅材である。２００００サイクル以降で幾つかのパワーモジュールのＴｃｍａｘ及びＴｆｍａｘが急激に上昇しているが、これは素子の寿命による劣化に起因している。

次に、サーマルグリース２０の熱抵抗Ｒｔｈを以下の式により計算する。
Ｒｔｈ＝（Ｔｃｍａｘ−Ｔｆｍａｘ）／（Ｉ×Ｖ）
ここで、分母（Ｉ×Ｖ）はパワーモジュール１０の単位時間あたりの発熱量を表す。

図７は、サーマルグリースの熱抵抗を計算した結果を示す図である。５台のパワーモジュールについて実験を行った。その５台中２台と３台で異なるタイプのサーマルグリースを使用した。図中の矢印で指した２台では、初め４．７付近から徐々に上昇している。それ以外の３台では、初めは５．８付近で高いが、１０００サイクルほどで低下し、その後はパワーモジュールが劣化する変化まで安定している。この結果からサーマルグリースの特性比較が可能となったことが分かる。図７で示したような数万サイクル後にサーマルグリースに経時変化が起こる現象は、発明者らが本実施の形態に係る測定方法により初めて見いだしたものである。

続いて、サーマルグリース２０の劣化を評価する方法について説明する。まず、上記の測定方法によりサーマルグリース２０の第１の熱抵抗を測定する。第１の熱抵抗を測定してから所定時間経過した後に、上記の測定方法によりサーマルグリース２０の第２の熱抵抗を測定する。そして、第２の熱抵抗を第１の熱抵抗で除した値が所定の値を超えたか否かでサーマルグリース２０の劣化を評価する。

続いて、本実施の形態の効果について説明する。本実施の形態では、パワーモジュール１０と冷却板１８との間にサーマルグリース２０とヒートスプレッダ２６が存在しているが、ヒートスプレッダ２６は銅などの熱伝導率の高い材料からなる金属体であるため、ヒートスプレッダ２６の熱抵抗の経時的な変化は無いとみなせる。従って、熱電対３０，３２によりパワーモジュール１０の温度と冷却板１８の温度を測定すれば、サーマルグリース２０の熱抵抗の変化を観測することができる。

また、パワーモジュール１０のベース板１４に穴又は溝を開けて温度計を取り付けると、ベース板１４の反り形状が実際のデバイスからずれてしまうため、サーマルグリース２０の劣化を正確に評価できない。そして、ベース板１４はパワーモジュール１０に埋め込まれており、熱電対３０を取り付けるには相当な長さの穴又は溝を掘る必要があり、加工も容易ではない。これに対して、本実施の形態では、デバイスを加工せずに実際のデバイスに近い条件でサーマルグリース２０の熱抵抗を測定することができる。

また、パワー半導体を内蔵したパワーモジュール等の発熱量の大きいモジュールでは、効率のよい放熱のため面積が広いベース板を用いる。モジュールのベース板と冷却板の熱膨張係数の違いによるサーマルグリースに加わるストレスや、発熱時にベース板自体に発生する温度変形によるサーマルグリースに加わるストレスや、モジュールにおける発熱分布の不均一性による温度分布の不均一性は、面積が広いベース板では特に大きくなる。サーマルグリースの劣化特性は、モジュールベースやヒートスプレッダの材質や表面仕上げ状態によってサーマルグリースのなじみや密着性の影響を受ける。本実施の形態では、これらの影響も再現できるため、実際のデバイスに近い条件でサーマルグリース２０の熱抵抗を測定することができる。特に、広い面積や大きな発熱量を持つモジュールの場合に有効である。

また、スペーサ２８が弾性体であるため、スペーサ２８で押圧されることにより熱電対３０と熱放散面１６との密着性がよくなり、測定精度が向上する。

また、本実施の形態では、熱電対３０，３２の配線３６をヒートスプレッダ２６の貫通孔３８を通して外部に引き出している。このため、パワーモジュール１０を加工することなく、容易に精度良く測定することができる。なお、熱電対３０，３２をヒートスプレッダ２６の外周に配置する場合は、配線３６を通すための貫通孔３８は不要である。

また、ヒートスプレッダ２６の主面２６ａ及び主面２６ｂは、パワーモジュール１０の熱放散面１６と同じ大きさである。これにより、ヒートスプレッダ２６を通る熱流がヒートスプレッダ２６の厚み方向に揃えられるため、測定精度が向上する。

また、パワーモジュール１０は内部に複数の発熱部分１２を有するが、ヒートスプレッダ２６が熱を横方向に拡散して平均化する。従って、熱電対３０，３２は温度を安定して測定できる。また、サーマルグリース２０の厚みが薄いため、温度計として熱電対３０，３２を用いるのが好ましい。これにより、温度計を小型化できるため、測定精度が向上する。

また、本実施の形態に係るサーマルグリース評価方法により、サーマルグリース２０の劣化を評価することができる。従って、パワーモジュールの寿命に対するサーマルグリース劣化の影響を調べることができるため、パワーモジュールの寿命を正しく推定することができる。

ここで、温度サイクル後のサーマルグリース２０の劣化の原因を検討する。サーマルグリース２０と、金属やセラミックス等であるベース板１４及びヒートスプレッダ２６とは熱膨張係数が異なる。加熱時にベース板１４及びヒートスプレッダ２６の表面に平行方向に膨張したサーマルグリース２０が、冷却時にベース板１４及びヒートスプレッダ２６より大きく収縮してサーマルグリース２０に亀裂が入る可能性がある。これがサーマルグリース２０の熱抵抗が上昇する一因であると考えられる。

また、サーマルグリース２０は、油等からなる流体成分と、熱伝導性のよい固体粒子とを含む。これらの異なる成分における、サーマルグリース２０、ベース板１４及びヒートスプレッダ２６が熱膨張又は収縮する際の摩擦の違いも一因であるとも考えられる。

１０ パワーモジュール（発熱体）
１２ 発熱部分
１４ ベース板
１６ 熱放散面
１８ 冷却板
２０ サーマルグリース（被測定物）
２４ 熱抵抗測定治具
２６ ヒートスプレッダ（熱拡散板）
２６ａ 主面（第１主面）
２６ｂ 主面（第２主面）
２８ スペーサ
３０ 熱電対（第１の温度計）
３２ 熱電対（第２の温度計）
３８ 貫通孔
３６ 配線

Claims (10)

1. 発熱体の熱放散面と冷却板との間に設けられた被測定物の熱伝導率を測定する熱抵抗測定治具であって、
   互いに対向する第１主面と第２主面を有する熱拡散板と、
   前記熱拡散板の前記第１主面に設けられ、前記熱拡散板よりも高い熱抵抗率を持つスペーサと、
   前記スペーサ上に載置された第１の温度計と、
   前記熱拡散板の前記第２主面に設けられた第２の温度計とを備え、
   前記発熱体の前記熱放散面と前記冷却板との間に前記熱拡散板が挟まれ、
   前記発熱体の前記熱放散面と前記熱拡散板の前記第１主面との間に前記被測定物が配置され、
   前記第１の温度計が前記熱放散面に接触することを特徴とする熱抵抗測定治具。
2. 前記スペーサは弾性体であることを特徴とする請求項１に記載の熱抵抗測定治具。
3. 前記被測定物は粘性体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱抵抗測定治具。
4. 前記熱拡散板に貫通孔が設けられ、
   前記第１の温度計及び前記第２の温度計の配線は前記熱拡散板の前記貫通孔を通って外部に引き出されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具。
5. 前記発熱体は、ベース板を有するモジュールであり、
   前記発熱体の前記熱放散面は、前記ベース板の底面であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具。
6. 前記熱拡散板の前記第１主面及び前記第２主面は、前記発熱体の前記熱放散面と同じ大きさであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具。
7. 前記発熱体は内部に複数の発熱部分を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具。
8. 前記第１の温度計及び前記第２の温度計は熱電対であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の熱抵抗測定治具を用いて、
   前記発熱体の発熱量を周期的に変化させ、
   前記第１の温度計の温度及び前記第２の温度計の温度を複数回測定し、
   前記第１の温度計の最大温度と前記第２の温度計の最大温度の差を前記発熱体の発熱量で除した値から前記被測定物の熱抵抗を求めることを特徴とする熱抵抗測定方法。
10. 前記被測定物はサーマルグリースであり、
    請求項９に記載の測定方法により前記サーマルグリースの第１の熱抵抗を求め、
    前記第１の熱抵抗を測定してから所定時間経過した後に、請求項９に記載の測定方法により前記サーマルグリースの第２の熱抵抗を求め、
    前記第２の熱抵抗を前記第１の熱抵抗で除した値が所定の値を超えたか否かでサーマルグリースの劣化を評価することを特徴とするサーマルグリース評価方法。

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