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デンソー 電子基盤技術統括部 担当部長 神谷 有弘 氏
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デンソー 電子基盤技術統括部 担当部長 神谷 有弘 氏

 新材料の登場がものづくりに劇的な変化を及ぼす。この“法則”が、クルマの電動化や低燃費化、知能化を支える車載機器で顕著になってきた。車載機器は小型・軽量化が進むにつれて熱設計が難しくなっている。この課題を新材料が解決に導く可能性がある。一方で、新材料を使いこなすためには乗り越えなければならない壁もある。だからこそ、「これからの車載機器の熱設計は面白い」と言うのが、「技術者塾」において「車載電子機器の高耐熱・放熱設計を事例解説」の講座を持つ、デンソー電子基盤技術統括部担当部長の神谷有弘氏だ。同氏にこれからの車載機器に必要な熱設計を聞いた。(聞き手は近岡 裕=日経 xTECH)

車載部品の中でSiCパワー半導体の実用化に大きな期待がかかっていることは分かりました(前回のインタビュー)。では、現在主流のSiパワー半導体を使っている設計現場は、どのようなことに苦労しているのでしょうか。

神谷氏:Siパワー半導体を製品に組み込むときに、苦労していることの1つは絶縁です。HEVやプラグインHEVでは高電圧化する中で、車載機器が小型化して熱密度が上がるため、いかに絶縁するかが重要になります。

 ここで、厚い絶縁材料を使えば絶縁が安定します。ところがその半面、熱抵抗が上がります。従って、これらのバランスをとらなければなりません。そのため、今は薄くて高絶縁できる材料が求められています。例えば絶縁シートを使うなど、薄くして熱抵抗を下げながら絶縁も行い、パッケージ(パワーデバイスの構造)として成立させる動きが見られます。

 一方で、絶縁と放熱を行う封止樹脂(モールド樹脂)にも新たな動きがあります。従来は150℃だったSiパワー半導体の最大ジャンクション(最大接合部)温度が、最近では175℃にまで上がりました。封止樹脂として使うエポキシ樹脂で改良が進んだからです。もうすぐ200℃まで対応できるのではないかと言われています。最大ジャンクション温度が200℃になると構造設計の世界が変わってきます。

 ただし、パワーデバイスを封止樹脂でくるむと、例えば半導体チップとヒートシンク(Cu製)の線膨張係数の差は5~6倍もあります。この差で生じる応力を封止樹脂が分散してはんだクラックを防ぐのですが、最大ジャンクション温度が200℃の封止樹脂がこれに対応できるかどうかは、今はまだ見えていません。

これからの熱設計では、新材料をいかに使うかが鍵を握るのですね。

神谷氏:熱設計の原理は、伝導(熱伝導)、対流、放射の3つしかありません。後は、これらをいかに使うかです。熱の逃げるルートは比較的簡単に理解できます。放熱回路の回路網を作り、後は熱抵抗の高いところをつぶす(下げる)というのが基本的アプローチ。自分が設計している製品を組み立てて、熱抵抗の高い箇所を探して手を打つのです。

 ところが、こうした手順を踏んでいっても、結局は接続材料という課題に直面します。例えば、自動車用ECU(電子制御ユニット)のプリント回路基板から放熱しようと考えると、接着剤で金属筐体とくっつけます。すると、この接着剤が放熱のネックになるのです。そこで今、放熱材料メーカーが放熱接着剤や放熱ゲルなどいろいろな材料を開発しています。

 つまり、実際の車載機器の現場では、熱設計と言いつつも、材料系に依存しているのです。適した材料をどのように使いこなすかが重要になりつつあります。幸い、日本は材料メーカーが強く新材料が続々と開発されるので、それらを使いこなした熱設計ができれば車載機器の高機能化や小型化を今後もどんどん進めていくことが可能です。