The 20th Symposium of MRS-J, December 2010 in Yokohama

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1 The 20th Symposium of MRS-J, 20-22 December 2010 in Yokohama
高熱電能材料のSelf-Cooling Deviceへの応用 Application of High-Thermoelectric-Power Materials to Self-Cooling Device 中津川 博1, 　岡本 庸一2, 　山口 作太郎3, 　河原 敏男3 1横浜国立大学, 2防衛大学校, 3中部大学 The 20th Symposium of MRS-J, December 2010 in Yokohama

2 Introduction self-cooling device Si wafer (power device) current
heat generation Si wafer (power device) current heat flow n-type plate Uses heat flow by both thermal conduction and by Peltier heat for its electric current. まず始めにself-cooling device についてご紹介いたします。 MOSFET, IGBT, CPUといったシリコンパワー半導体は、広く日常生活で使 用されております。 これらのパワーデバイスを電気回路の中で使用する時、発熱の問題は避け て通れない問題です。なぜなら、シリコン半導体は150℃以上では正常に機 能しないからです。 パワーデバイスから熱を取り除く方法としては、銅板やヒートパイプで熱を拡 散させ、フィンやファンで大気中に熱を逃がす方法が一般的です。 最近、中部大の山口らは、self-cooling deviceという新しい冷却方法を提案 しました。 これは、熱伝導とペルチェ熱による冷却の両方を利用した冷却方法です。 waste heat heat spread by heatsink heat release to air by fin or fan self-cooling device S.Yamaguchi, ULVAC, 52, 14 (2007)

3 高熱伝導材料 低熱伝導材料 （熱電材料） 10 thermal conductivity (W/mK) 1 2 3 ● Na0.5CoO2
1 2 3 ● 　Na0.5CoO2 Bi2Te3 GaN ZnO Al2O3 AlN 　Al Cu Si SiC C 低熱伝導材料 （熱電材料） 一般に、熱電材料として求められる物性は、熱伝導率が小さく、ゼーベック 係数が大きく、電気抵抗率の小さい材料です。 一方、熱伝導率が大きく、ゼーベック係数も大きく、電気抵抗率の小さい材 料がパワーデバイスの冷却に求められます。 幸運にも低い抵抗率と高い熱伝導率の組合せは容易に両立が可能です。 例えば、高熱伝導率の材料には、銅、シリコン、SiC、ダイヤモンドなどが挙 げられます。 今回、我々はn-type シリコンウェハーを用いてself-cooling deviceに応用す ることを試みました。 本研究の目的は、self-cooling deviceを作製し、温度測定をすることにより、 熱伝導とペルチェ熱による冷却効果を確認することにあります。 thermal conductivity (W/mK)

4 Experimental electrical resistivity Seebeck coefficient Cu plate Si Cu
Electron Probe Micro Analyzer (EPMA) Si 0.5mm copper plating n-type Si (111) wafer Cu 1-2μm Si electrical resistivity Seebeck coefficient Au －688μV/K Si 0.4μm n-typeシリコンウェハーの電気抵抗率、ゼーベック係数、及び、ホール係数 からキャリア密度と移動度を80～400Kの温度範囲で測定しました。 室温で、このように低い抵抗率と高いゼーベック係数を示します。 同時に、150W/mKという銅の40%程度の高い熱伝導率も示します。 そこで、我々は両面銅メッキしたn-typeシリコンウェハーをself-cooling device として使用しました。 表面の成膜状態はこのようにEPMAを用いて評価しました。 1μm 18.8 mΩcm Ti Si 0.1μm

5 Schematic structure of self-cooling device
power MOSFET　 (IRF1324PbF) heat generation waste heat heatsink copperplate copper plating n-type Si (111) wafer current S パワーMOSFETからの発熱を冷却するために、熱伝導による冷却と MOSFET中を流れる電流によって生じるペルチェ熱による冷却効果を利用 しました。 電流は、このようにシリコンウェハーには下から上へ、MOSFETにはソースか らドレイン方向へ流しました。 MOSFET上面からの発熱による熱流は、銅板から水冷ヒートシンクへ流れる ことが期待されます。 水冷ヒートシンク中の水温は冷却水循環装置を用いて常に10℃±2℃に保 たれています。 温度測定はMOSFET 上面に設置した熱電対で5秒毎60分間測定し、同時 に赤外線サーモグラフィを用いて全体の温度分布を測定しました。 D S waste heat heatsink Peltier effect + thermal conduciton Schematic structure of self-cooling device

6 Results & Discussion power MOSFET (IRF1324PbF) thermocouple Cu S G D
current D Cu Cu Cu 60A waste heat まず、市販のパワーMOSFETのみの発熱の温度測定を行いました。 パワーMOSFETはドレイン側から熱を放熱する構造になっていますが、パワ ーMOSFET上面からの発熱は温度上昇の原因になります。 heat generation water cooled heatsink (10±2℃) power MOSFET　 (IRF1324PbF)

7 パワーMOSFET上面の温度は47℃付近で定常状態になり、赤外線サーモ グラフィを用いた温度分布を見ても、パワーMOSFET上面で、熱が逃げ場を 失い、留まっているのが確認できます。
そこで、このパワーMOSFET上面の熱を逃がす為にself-cooling deviceを作 製しました。 On抵抗：1.6mΩ

8 self-cooling device 1 Sb doped n-type Si wafer thermocouple
power MOSFET Cu current 60A Cu Cu waste heat Cu Cu 両面銅メッキしたn-typeシリコンウェハーを用いたself-cooling deviceです。 n-typeシリコンウェハーで生じるペルチェ効果が冷却効果を促進させると、 期待されます。 water cooled heatsink (10±2℃) aluminaplate

9 On抵抗：3.1mΩ パワーMOSFET上面の温度は40℃付近で定常状態になり、パワー MOSFET上面の熱が取り除かれています。
赤外線サーモグラフィを用いた温度分布を見ても、水冷ヒートシンク側に熱 が逃げていることが確認されます。 On抵抗：3.1mΩ

10 self-cooling device 2 power MOSFET thermocouple Cu Cu 60A Cu Cu
current Cu 60A waste heat Cu Cu n-typeシリコンウェハーで生じるペルチェ効果を評価する為に、シリコンウェ ハーを外して銅片のみで温度測定を行いました。 water cooled heatsink (10±2℃) aluminaplate

11 On抵抗：1.7mΩ パワーMOSFET上面の温度は27℃付近で定常状態になり、約20℃の温度 冷却が実現されています。
銅はペルチェ効果がほぼ無視できるので、この結果は、銅の熱伝導による 冷却の結果であると考えられます。 逆に言えば、銅と同程度の熱伝導率の材料を用いれば、ペルチェ熱による 冷却効果によって更なる冷却が可能であると期待されます。 On抵抗：1.7mΩ

12 まとめ パワーMOSFET上部からの発熱が温度上昇の原因
両面銅メッキしたn-typeシリコンウェハーを用いて self-cooling deviceを作製、冷却効果を確認 n-typeシリコンウェハーを外し、銅のみでself-cooling deviceを作製、更なる冷却効果を確認 銅と同程度の熱伝導率を持った材料を用いてself- cooling deviceを作製すれば、銅を超える冷却効果が 期待 In summary, ・The Antimony doped n-type silicon (111) wafer has been applied to the self- cooling device. ・The self-cooling device using the heat flux both by Peltier effect and by thermal conduction has removed the heat generation on the top side of the power MOSFET. ・In particular, the heat removal has been enhanced drastically by the increase of the heat flux. This study was partly supported by the Grants-in-Aid for Scientific Research from the Ministry of Education, Culture, Sports and Technology of Japan.