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T3Ster - メンター・グラフィックス・ジャパン
T3Ster 過渡熱測定装置 M e c h a n i c a l a n a l y s i s www.mentorg.co.jp T3ster - 過渡熱測定装置 温度による性能問題を製品からシャットアウト 電子システムの 故障原因 * 電子製品の性能低下と高温の相関関係は、さまざまな文献 によって裏付けられています。ジャンクション温度が臨界レ ベルを超えると、信頼性と性能の急激な低下を招き、物理 的な故障が発生しやすくなります。 メンター・グラフィックスの世界最先端の過渡熱測定ソリュー ション、 T3Ster® は過熱から製品を守ります。T3Ster は、積 層ダイ IC や SiP（システム・イン・パッケージ）デバイスを はじめ、パワー・トランジスタ、IGBT、パワー LED などの 各種半導体コンポーネントを含む広範な半導体デバイスか ら、再現性に優れた高精度の熱特性を迅速に測定すること ができます。T3Ster の熱測定によるメリットを以下にご紹介 します。 ■ 製品の早期故障を抑制 ■ 先進的な業界標準への準拠 ■ 精度と信頼性の高い製品データを作成 ■ 熱シミュレーション用の実測データを取得 温度 55% 埃／粉塵 6% 湿度 19% 振動 20% * 1997 年、 IEEE。 Zhang、 Jovanovic、 Lee による T3Ster は、以下の用途にご利用いただけます。 ■ 放熱経路の再構成 ■ ダイアタッチの評価 ■ 積層ダイ・パッケージのテスト ■ パワー LED の特性評価 ■ マテリアル特性の識別 ■ 熱設計モデルの検証と妥当性確認 ■ 現場における非破壊的な故障解析 ■ パワー・サイクリング信頼性試験結果の構造関数解析 ■ 実製品状態の環境における部品の熱評価 T3Ster のマルチチャネル・アーキテクチャは、比類のない 精度と優れた再現性を備えた過渡熱データを提供し、ほぼ 全種類のパッケージを最小限の測定回数で特性評価できま す。超高精度の熱測定（0.01℃）[1] と 1㎲の時間分解能を実 現することに加えて、パルス法で個々の温度データから過渡 熱曲線を「合成」する方法と違い、実際の過渡熱曲線をリア ルタイムで測定できます。 [1] 感度が -2mV/℃のダイオード型センサを使用し、温度による電圧変化が 50mV だと仮定した場合。 w w w. m e nto r g . co. j p 2 iBM の hierarchically nested channels は、 温度サイクル中に TiM（サーマル・インタフェース・ マテリアル）のボイド発生を抑制する効果があり、 この検証に T3ster が使われています。 スイスの IBM Zurich Research Laboratory において Advanced Thermal Packaging Manager を務める Bruno Michel 博士は次のように述べています。 「熱インタフェースに関する信頼性の高い熱抵抗解析が必要だったため、 過渡熱測定法を選びました。T3Ster はコンパクトで使い勝手が良いだけでなく、 過渡熱データの収集と処理に改善をもたらしました。また、TIM 測定精度が 向上し、発熱チップ、熱インタフェース、冷却キャップ、セカンド・インタフェース、 ヒートシンクといった個々の部品による放熱効果の内訳を測定することも可能に なりました。」 ドイツ、レーゲンスブルクの Osram Opto Semiconductors GmbH（以下 OSRAM）に おいて Quality Manager を務める Thomas Zahner 博士は次のように述べています。 「LED のパワー増加に伴い、安定した LED 性能と長寿命にとって不可欠な熱管理に対し、 一層の注意を払う必要が出てきました。このため、OSRAM では熱設計を非常に重視 しています。T3Ster の高精度と再現性によって、熱設計を検証し、製品の安定性と 信頼性を確認することが可能になりました。多数のテストを実行したことにより、統計的 信頼度の高い測定結果を得ることができました。T3Ster ソフトウェアに内蔵された構造 関数は非常に強力なツールであり、OSRAM で実施する幅広い信頼性テストにおいて、 熱接合材料のさまざまな問題を特定する際に役立っています。」 OsRaM の高輝度 leD と leD モジュールの特性 評価には、T3ster が使われています。T3ster に よる測定結果は、パワー leD の信頼性を評価 する、大規模な解析作業に利用されています。 T3ster - 過渡熱測定装置 半導体メーカー 半導体および IC パッケージのメーカー各社は常に、より多 くのコンポーネントをより小型サイズの高密度な空間に搭載 しようと努力しています。その結果残念なことに、放散され る熱の密度も高まっています。高速化と多機能化の進む IC では、帯域幅とトランジスタ密度の増大により消費電流が 増加の一途を辿っているため、チップ温度も上昇していま す。過剰に発生した熱がデバイスから正しく放出されないと、 回路の異常動作を引き起こし、最終的には破壊へと至りま す。ジャンクション温度が上昇すると IC 性能は低下し、熱 問題によってコンポーネントの信頼性が急激に減少します。 また、温度上昇によってコンポーネントの物理的な歪みや 亀裂が生じた結果、マテリアル層の剥離や、ダイアタッチ のボイド発生といった欠陥を招く可能性があります。十分な 熱放散を確保するためには、IC パッケージの設計と使用す るマテリアルの選択が非常に重要なポイントとなります。 メーカーは、熱測定装置を設計および品質保証プロセスに 導入することで、優れた熱性能を持つ製品を設計し、信頼 できる熱データを下流の工程に提供できるようになります。 エンジニアは、T3Ster を設計および製品開発段階で利用す ることで、チップの温度を正確に予測できるようになり、さ らに、アセンブリの熱流路を検証し、設計検証のポストレ イアウト段階で利用できる、物理設計用の熱データを提供 することが可能です。製造段階では、隠れた欠陥を発見し、 適切に構成された生産ラインで量産テストを実施します。ま た、QA 部門は T3Ster を利用して、ダイアタッチ積層剥離 などの物理的な故障を非破壊的な方法で迅速かつ簡単に特 定できます。 ケーススタディ: 自動車市場の主要な半導体メーカーの例 を見てみましょう。同社は、1 日に最大 100 万個の半導体 チップを製造する能力を持っています。チップの販売単価 が 5 ドルの場合、ダイアタッチ問題によって製造が 2 日間 停止すると、1 千万ドルの売上が失われる見込みとなります。 T3Ster は、同社の稼働状況を適用した場合、2 時間の停止 を回避できさえすれば、採算が取れる妥当な価格設定となっ ています。 leD メーカー LED メーカーにとって、熱特性評価および熱測定への投資 を避けて通ることはできませんが、これには複数の理由が 重なり合っています。 どんな種類の電気照明も、 不要な副産物として熱を 発生し、LED 照明も例外 ではありません。 今日の ハイパワー LED では平均 し て、35% か ら 40% の 光効率に対し、65% から 60% の 熱 を 発 生します。 熱の蓄積によって LED の 光出力が低下すると、色 の 変 化 を 招くと同 時 に、 コンポーネントの実用寿 命を縮 めることになりま す。このため、熱管理は LED システム設計において最も重 要な側面となっています。安全で信頼性の高い設計と満足 できる性能を確保するためには、LED 熱抵抗の特性評価 が必要です。また、熱流路内の接着層など複数の熱インタ フェースが存在し、製造段階で厚さや熱抵抗値を制御する ことが困難な場合もあります。従って、熱抵抗は可能な限り 早い段階で把握する必要があります。光出力特性の温度依 存性を完全に把握することも、 LED ベンダと LED ユーザの 両方にとって重要な課題です。 38 36 TERALED: 家庭用壁コンセントの発光効率（Popt/Pel）に対する周囲温度 η [%] 企業の将来を見据えた確実な投資 34 32 30 28 26 24 22 10 w w w. m e nto r g . co. j p XPG XPG XPG XPG XPG - IF = 150mA - IF = 200mA - IF = 350mA - IF = 500mA - IF = 700mA 20 Tamb [°C] 30 40 50 60 70 80 4 90 T3ster - 過渡熱測定装置 システム・メーカー 新しいルールと要件を満たすには、コストとリソース運用の 両面において、より抜本的な改善が求められています。米 国エネルギー省（DOE）の予測によると、今後 LED の効率 は 1.5 倍以上に向上し、LED 製造コストは 2015 年までに約 1/10 未満に、2025 年までに約 1/25 から 1/30 まで低減さ れる見込みとなっています。製造効率の向上によってコスト が 10 年間で 1/20 に削減されたことを考えると、同じ曲線 を維持するには、歩留まり、生産性、コスト効率の改善に よってさらにコストを削減する必要があります。エンジニア は、最高のコスト効率を備えた最適のマテリアルを決定す る際に、熱測定結果を利用してコスト削減に貢献できます。 熱測定結果に基づいて、多岐にわたるマテリアル、コンポー ネント、熱インタフェース用化合物の中から選択し、各要素 を微調整して、システム設計目標をベストな状態で達成でき るのです。そして品質保証と信頼性向上を担当する部署で は、過渡熱を測定してから後続の構造関数解析を行うこと によって問題を特定し、製造歩留まりを改善できます。 システム・メーカーの場合、特定の重要な IC チップが実際 の熱環境でどのように動作するかを把握しておく必要があ ります。例えば、HD TV に内蔵された高性能グラフィック・ カードの GPU や、コンピュータ筐体内の RAM モジュール 上の RAM チップなどです。このようなチップを現場で過渡 熱測定し、IC デバイスが実際に稼働する条件下、つまり動 作環境内で取得した過渡熱の特性を評価する必要があるの です。このような作業の場合、測定対象のチップへの電力 はシステム自身から供給されます。T3Ster のトリガは電力 を突然に変更しますが、このような変化はデジタル IC のク ロック速度を急降下させることがあります。ジャンクション 温度を測定する際は、測定対象のチップ内にある、温度感 度が高い部分を使用します。また、チップが専用の熱測定 ダイオードを搭載していることもあります。この場合、電気 的に非アクティブ状態のとき、その他のダイオードを温度検 知に利用することができます。このように、TV、コンピュー タのマザーボード、RAM モジュールを実際の動作条件下で 測定できます。コンピュータ筐体内の RAM モジュールの場 合、製品状態で測定して得られた構造関数を用いて、RAM モジュールの FR4 アセンブリの熱伝導特性を評価できます。 実例を見てみましょう。小型ノートパソコンの RAM モジュー ル設計において熱管理ソリューションとして採用されていた 「ヒート・スプレッダ」が、高価であまり冷却効果がないこ とを実証する際、構造関数解析が役立ったのです。この部 品を除去することで、マテリアル・コストだけでもユニット あたり数ドルの節約となり、量産時の製造コスト削減が実現 されました。改良された TIM マテリアルの熱特性を現場で 検証した結果、設計において目標となっていた熱抵抗値を 達成し、TIM マテリアルのコストを最小限に抑えることに成 功したのです。ここでも、マテリアル・コストと製造コスト の大幅な節減が達成され、これまでシステム・アーキテクト がどんな手段を使っても実現できなかった、最終製品の品 質評価を可能にしました。 ケーススタディ: DOE が 2009 年に行ったプレゼンテーション によると、LED の製造関連コストは、パッケージ化が 50%、 チップ処理が 25%、EPI 処理が 25% となっています。企業 ではフロントエンドの製造コスト面を改善することによって、 ビニングのようなバックエンド・コストの省力化を達成し、 照明コストを削減できます。 w w w. m e nto r g . co. j p 5 T3ster - 過渡熱測定装置 T3Ster が選ばれる 7 つの理由 業界をリードする過渡熱測定ソリューション、T3Ster のメリッ トをご紹介します。 1. 高精度の測定結果。T3Ster は、極めて高精度な温度測 定機能、優れた信号対ノイズ比、1㎲の時間分解能を備 えています。不正確な結果に妥協することなく、設計の 真の動作を的確に捕捉できます。 2. 完全にスケーラブルなシステム。T3Ster は、現在だけで なく将来のニーズを満たせる設計となっています。大規 模なテストに対応し、100mW 以下から最大で kW 単位 に至る範囲に拡張して、システムおよびコンポーネント を測定できます。さらに、投資価値を保護するために、 次の 4 つをはじめとする多彩なハードウェア・アドオン・ アクセサリが用意されています。 a. 自動デバイス・キャリブレーションは、メンター・グラ フィックスのドライ・サーモスタット技術に加えて、サー ドパーティの液冷方式サーモスタット技術をサポート b. 適切なプリアンプを介してあらゆる種類の熱電対を簡 単に接続 c. 各種ブースター・オプションによるハイパワー電力 スイッチング d. ハイパワー LED 測定用の TERALED® ユニットの追加 ステムの適切な設定を支援し、拡大や拡張を行う場合は もちろん、新しいアプリケーションに関する技術的なアド バイスも提供します。熱測定ハードウェア製品は、長期 間に渡って投資価値を保護するため、下位互換性を備え ています。 7. 確固とした研究開発努力に支えられたメンター・グラ フィックスの MicReD® 製品ライン。メンター・グラフィッ クスは、EU の NANOPACK 研究コンソーシアムの主要メ ンバーだった Thales や IBM など業界のリーディング・パー トナーとともに、大規模な工業用研究開発プロジェクト を積極的に推進しています。また、 JEDEC JESD51-14 を はじめとする過渡熱測定の最新業界標準に厳密に準拠 し、パワー半導体パッケージのθ jc（ジャンクションから パッケージ・ケースまでの熱抵抗）を測定できる熱測定 ソリューションをお届けするため、JEDEC や CIE といった 国際標準化団体の活動に率先して取り組んでいます。 最 新 の アクセ サリ・リストの 詳 細 に つ い て は、http:// www.mentor.com/products/mechanical/products/t3ster/ options-accessories [ 英語 ] をご参照ください。 3. リアルタイム測定。T3Ster は、JEDEC JESD51-1 標準に規 定されたスタティック・テスト方式に従ってリアルタイム に測定を実行します。この連続測定手法と高精度ハード ウェアの組み合わせによって、ノイズのない実際の過渡 熱曲線を高い時間分解能で非常に正確に捕捉できます。 4. 強力なポストプロセス機能を解析結果に適用。オプショ ンとして提供されている T3Ster-Master ソフトウェアを使 用して、多様なデバイス・レスポンスと構造関数を可視 化できます。T3Ster の熱伝導路構造解析は、最終プロト タイプをテストするための理想的なソリューションである ため、設計者は最終製品の品質を迅速かつ正確にコス ト効率良く検証できます。 5. シミュレ ーション用 の 実デ ータを提 供。FloTHERM や FloTHERM PCB をはじめとする最先端の熱解析ソフトウェ アを使用する場合、コンポーネントの正確な熱設計モデ ルを入手できるかどうかが、電子機器の熱流を予測する ための大きな決め手となります。T3Ster は、 シミュレーショ ンを実行する際に検証済みの入力データとして使用でき る、正確なデータを提供します。 6. メンター・グラフィックスの熱測定設備におけるグローバ ルなネットワークを活かしたテクニカル・サポート、熱 測定サービス、モデル化サービスの提供。メンター・グ ラフィックスのアプリケーション・エンジニアが T3Ster シ w w w. m e nto r g . co. j p オランダ、 ナイメー ヘン に ある NXP-Semiconductors の Senior Principal で、Manager Virtual Prototyping を務める John H.J. Janssen 技士は次のように述べています。 「現在、NXP-Semiconductors のラボでは主として、特定顧 客の利用環境と同じ条件下でパッケージの熱抵抗を測定す るために、T3Ster を使用しています。T3Ster のおかげで、 とてもスピーディーに簡単に測定できるようになりました。 また、T3Ster-Master ソフトウェアを利用して、当社のコン パクトな熱設計モデルの正確性を示すことができました。こ の結果、顧客の揺るぎない信頼を勝ち取ったのです。これ と同時に、熱を環境に放散する仕組みや、ボードの組み立 て時に想定される故障がどのような影響を及ぼすかについ て、理解を得ることもできました。」 6 T3ster は、ヒートシンクなどさまざまなタイプの 冷却アセンブリを特性評価できます。 VLSI チップ、稼働中のプロセッサに加えて、シンプルな ダイオードからバイポーラ・トランジスタ、MOSFET、JFET、 IGBT、サイリスタに至るまで多種多様なディスクリート半導体 デバイスを T3Ster によって測定できます。 実環境内の部品の解析も可能です。T3Ster によって測定した 部品の熱レスポンスと、環境からの影響を判別する際に、 構造関数が役立ちます。 構造関数は、T3Ster によって測定した非常に正確でノイズの ない過渡熱データに基づいて導き出されます。この構造関数 を使って、システム動作時のパワー・トランジスタ・チップ から、ヒート・スラグ、TIM、ヒートシンクまでの熱伝導路に おける熱流を、詳細に渡って明確に描き出します。 T3ster - 過渡熱測定装置 最新の製品情報については、メンター・グラフィックスのウェブサイトから : www.mentorg.co.jp copyright © 2012 Mentor Graphics corporation. all rights reserved. Mentor Graphics は Mentor Graphics corporation の登録商標です。その他記載されている製品名および会社名は各社の商標または登録商標です。この文書 にはメンター・グラフィックスの専有情報が含まれており、その一部または全体のコピーは、元の受領者が社内の業務目的に利用する場合にのみ可能です。 この文書を受領されるにあたり、受領者はこの情報の不正な利用を防ぐあらゆる合理的な努力をされることに同意されるものとします。 本 社 大阪支店 名古屋支店 URL 〒140-0001 東京都品川区北品川 4 丁目 7 番 35 号 御殿山ガーデン 電話（03）5488-3030（営業代表） 〒532-0004 大阪府大阪市淀川区西宮原 2 丁目 1 番 3 号 SORA 新大阪 21 電話（06）6399-9521 〒460-0008 愛知県名古屋市中区栄 4 丁目 2 番 29 号 名古屋広小路プレイス 電話（052）249-2101 http://www.mentorg.co.jp MGJ 12/02