特許 7463835 移動体用演算装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-01

(45)【発行日】2024-04-09

(54)【発明の名称】移動体用演算装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20240402BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020084623

(22)【出願日】2020-05-13

(65)【公開番号】P2021180251

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡野 俊一

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 勉

(72)【発明者】

【氏名】吉武 慎介

(72)【発明者】

【氏名】森本 康治

【審査官】豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０８３２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１４３６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２０１１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４６７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７８５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０２８７４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２３／２９

Ｈ０１Ｌ２３／３４ －２３／３６

Ｈ０１Ｌ２３／３７３－２３／４２７

Ｈ０１Ｌ２３／４４

Ｈ０１Ｌ２３／４６７－２３／４７３

Ｈ０２Ｍ ７／４２ －７／９８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

実装基板に対してはんだ接合部を介して実装されかつ移動体の走行に関する演算を行うための演算用素子と、該演算用素子を冷却するための冷却装置を有する移動体用演算装置であって、
演算量に基づく前記演算用素子の消費電力に基づいて、前記はんだ接合部に生じる応力を推定する熱応力推定部と、
前記冷却装置を制御する制御部と、を更に備え、
前記制御部は、前記熱応力推定部の推定結果が所定応力未満になるように、前記冷却装置を作動させることを特徴とする移動体用演算装置。

【請求項2】

請求項１に記載の移動体用演算装置であって、
前記熱応力推定部は、前記演算用素子の消費電力に基づいて、該演算用素子の発熱量を推定する熱量推定部を有するとともに、該熱量推定部により推定された前記演算用素子の発熱量に基づいて、当該演算用素子の前記はんだ接合部に生じる応力を推定することを特徴とする移動体用演算装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の移動体用演算装置において、
前記冷却装置は、冷却媒体を利用して前記演算用素子を冷却する装置を含み、
前記制御部は、前記冷却媒体の流量が徐々に変化するように前記冷却装置を作動させることを特徴とする移動体用演算装置。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の移動体用演算装置において、
前記冷却装置は、前記演算用素子の消費電力を調整することで該演算用素子の発熱量を調整する装置を含み、
前記制御部は、前記演算用素子の消費電力が徐々に変化するように前記冷却装置を作動させることを特徴とする移動体用演算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに開示された技術は、移動体用演算装置に関する技術分野に属する。

【背景技術】

【0002】

近年では、自動車や鉄道車両などの移動体に備えられたアクチュエータのほぼ全てが電子制御されるようになっている。電子制御を行うための演算装置は、例えば、電子素子により構成される。このような電子素子は、実装基板にはんだ付けにより実装される。演算量が多くなり、電子素子が発熱するとはんだが融解して接合状態が悪化するおそれがある。このため、はんだを用いた接合部の状態を解析する方法が提案されている。

【0003】

例えば特許文献１には、複数個のはんだバンプを介してプリント配線基板に接続された半導体パッケージの実装状態を構造モデルとして、実際の温度サイクル試験におけるはんだ接合部の破壊形態に対応した破壊形態対応断面に基づいて２次元モデルを設定する工程と、設定した２次元モデルに基づいて有限要素法解析により、はんだ接合部に発生する塑性ひずみを計算する工程とを備えた半導体パッケージ実装構造の解析方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第４０９６４５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、移動体の自動運転では走行シーンに応じて演算量が変化するため、演算量の増減が大きい。特に、自動運転と運転者による手動運転との切り替え時には、演算量が大きく変動する。このため、自動運転の演算に用いられる演算用素子は、発熱量が増減しやすい。演算用素子の発熱量が大きく増減すると、演算用素子を実装基板に接続するはんだ接合部に負荷がかかるようになる。

【0006】

演算用素子の温度を調整するために冷却装置が用いられる。一般に、冷却装置は温度を指標として作動される。しかし、単に温度を調整するだけでは、はんだ接合部にかかる負荷が考慮されないため、演算用素子の破壊は抑制できたとしても、はんだ接合部の破壊までは抑制できないおそれがある。

【0007】

特許文献１に記載のような解析方法は、温度サイクル試験を反映するものであるため、設計段階においては有効である。しかし、実際の移動体に実装された演算用素子において、演算量が増減するような環境は想定されておらず、実装された演算用素子を冷却するための制御に利用することは困難である。

【0008】

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこは、演算用素子と実装基板とを接続するはんだ接合部の接続状態が悪化することを抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、ここに開示された技術では、実装基板に対してはんだ接合部を介して実装されかつ移動体の走行に関する演算を行うための演算用素子と、該演算用素子を冷却するための冷却装置を有する移動体用演算装置を対象として、演算量に基づく前記演算用素子の消費電力に基づいて、前記はんだ接合部に生じる応力を推定する熱応力推定部と、前記冷却装置を制御する制御部と、を更に備え、前記制御部は、前記熱応力推定部の推定結果が所定応力未満になるように、前記冷却装置を作動させる、という構成とした。

【0010】

すなわち、演算量が変化すれば演算用素子で消費される電力が変化する。演算用素子で消費される電力が変化すれば、演算用素子の発熱量が変化する。そして、演算素子の発熱量の変化量が分かれば、当該演算用素子に設けられたはんだ接合部に生じる熱応力が算出できる。このため、演算量に基づく演算用素子の消費電力を入力情報として、当該演算用素子にも受けられたはんだ接合部に生じる熱応力を推定するようにすれば、移動体の実際の走行シーンに応じて、冷却装置を適切に制御することができる。

【0011】

そして、前記構成では、冷却装置は、熱応力推定部の推定結果が所定応力未満になるように作動されるため、演算用素子と実装基板とを接続するはんだ接合部の接続状態が悪化することを抑制することができる。

【0012】

前記移動体用演算装置において、前記熱応力推定部は、前記演算用素子の消費電力に基づいて、該演算用素子の発熱量を推定する熱量推定部を有するとともに、該熱量推定部により推定された前記演算用素子の発熱量に基づいて、当該演算用素子の前記はんだ接合部に生じる応力を推定する、という構成でもよい。

【0013】

この構成によると、演算用素子の発熱量が精度良く熱応力の計算に反映されるため、はんだ接合部に生じる熱応力を精度良く算出することができる。これにより、演算用素子と実装基板とを接続するはんだ接合部の接続状態が悪化することをより効果的に抑制することができる。

【0014】

前記移動体用演算装置の一実施形態では、前記冷却装置は、冷却媒体を利用して前記演算用素子を冷却する装置を含み、前記制御部は、前記冷却媒体の流量が徐々に変化するように前記冷却装置を作動させる。

【0015】

この構成によると、冷却媒体の流量が徐々に変化すれば、冷却装置の冷却能力は徐々に変化する。これにより、演算用素子の発熱量の変化が小さくなって、はんだ接合部に生じる熱応力が小さくなる。したがって、演算用素子による演算の精度を維持しつつ、はんだ接合部の接続状態が悪化することを抑制することができる。

【0016】

前記移動体用演算装置の他の実施形態では、前記冷却装置は、前記演算用素子の消費電力を調整することで該演算用素子の発熱量を調整する装置を含み、前記制御部は、前記演算用素子の消費電力が徐々に変化するように前記冷却装置を作動させる。

【0017】

この構成によると、冷却装置が演算用素子の消費電力を徐々に変化させることで、演算用素子の発熱量の変化が小さくなる。これにより、はんだ接合部の熱応力が小さくなる。この結果、はんだ接合部の接続状態が悪化することを効果的に抑制することができる。

【発明の効果】

【0018】

以上説明したように、ここに開示された技術によると、はんだ接合部の接続状態が悪化することを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】例示的な実施形態１に係る演算装置が搭載された自動車を示す概略図である。

【図2】演算装置の一部を示す断面図である。

【図3】演算装置が有する機能を概略的に示すブロック図である。

【図4】半導体デバイスが実装された実装基板の一例を示す平面図である。

【図5】図４に示す実装基板の温度分布を示す分布図である。

【図6】図４に示す実装基板の応力分布を示す分布図である。

【図7】半導体デバイスを冷却する際の処理動作を示すフローチャートである。

【図8】冷却装置を制御する処理動作を示すフローチャートである。

【図9】半導体デバイスを冷却する様子を示すタイムチャートであって、（ａ）は従来の演算装置における冷却制御を示し、（ｂ）は実施形態１に係る演算装置における冷却制御を示す。

【図10】実施形態２に係る演算装置の半導体デバイスを冷却する際の処理動作を示すフローチャートである。

【図11】実施形態２に係る演算装置において、半導体デバイスの消費電力を制御する処理動作を示すフローチャートである。

【図12】実施形態２に係る演算装置の半導体素子を冷却する様子を示すタイムチャートであって、（ａ）は従来の演算装置における冷却制御を示し、（ｂ）は実施形態２に係る演算装置における冷却制御を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0021】

図１は、本実施形態に係る演算装置が搭載された自動車１を示す。この自動車１は、不図示の駆動装置（エンジンやモータ）が車両前側に搭載されたＦＦ式又はＦＲ式の自動車である。自動車１は演算装置１００を備える。演算装置１００は、コンピュータハードウェアであって、具体的には、ＣＰＵを有するプロセッサ、複数のモジュールが格納されたメモリ等を有している。演算装置１００は、半導体デバイス１１（図２参照）が搭載されている。複数の半導体デバイス１１は、車両の走行を制御するための演算を実行する半導体チップを有している。半導体チップには、例えば、自動車１の自動運転を可能にするためのＡＩ(Artificial Intelligence)機能が搭載されている。半導体デバイス１１は、移動体としての自動車１の走行に関する演算を行うための演算用素子の一例である。

【0022】

自動車１は、演算装置１００に供給する電力が蓄積されたバッテリ４を有する。バッテリ４は電源ライン５により、演算装置１００と電気的に接続されている。

【0023】

自動車１には、演算装置１００の冷却体６０に冷却水を供給するためのウォータポンプ２が設けられている。ウォータポンプ２は、流水管３を介して演算装置１００の冷却体３０（図３等参照）と接続されている。つまり、演算装置１００は、ウォータポンプ２から供給される冷却水により冷却されるようになっている。ウォータポンプ２から冷却体６０に供給される冷却水の流量は、演算装置１００からの制御信号により調整可能となっている。ウォータポンプ２は、本実施形態１において、半導体デバイス１１を冷却する冷却装置の一部を構成する。

【0024】

図２は移動体の一例である車両に搭載される演算装置の構造例を示す断面図である。図１に示す演算装置１００は、筐体１０１の内部に、一対の実装基板４０，５０と、実装基板４０，５０に挟まれるように配置された冷却体６０とが収容されている。冷却体６０は、アルミニウム合金で構成されたブロック状の本体部６１と、冷却水が流通する流通経路６２とを有する。

【0025】

実装基板４０の図面下側すなわち冷却体６０側の表面と、実装基板５０の図面上側すなわち冷却体６０側の表面に、はんだ接合部１４を介して半導体デバイス１１が実装されている。各半導体デバイス１１は、伝熱シート１２を介して冷却体６０と熱的に接続されている。半導体デバイス１１には、電力センサ１１ａ（図３参照）が搭載されている。各半導体デバイス１１は、それぞれの電力センサ１１ａにより自信の消費電力を検出する。

【0026】

また、実装基板４０の図面上側の表面と、実装基板５０の図面下側の表面に、半導体デバイス１１以外のコンデンサなどの電気部品１３が実装されている。

【0027】

冷却体６０は、伝熱シート１２介して半導体デバイス１１から伝達された熱を、本体部６１を介して冷却水に伝達することで、半導体デバイス１１を冷却する。つまり、冷却体６０は、冷却媒体を利用して半導体デバイス１１を冷却する。ウォータポンプ２、流水管３、及び冷却体６０の流通経路６２の少なくとも１つには、冷却水の温度を検出する水温センサ６３（図３参照）が設けられている。詳しくは後述するが、冷却体６０は、本実施形態１において、半導体デバイス１１を冷却するための冷却装置の一部を構成する。尚、本開示における演算装置の構造は、図１に示すものに限られるものではない。

【0028】

自動運転に関する計算を行う半導体デバイス１１は、画像処理や走行経路の算出を行うために大量の演算処理を行う。このため、半導体デバイス１１は、他の電気部品１３と比較して発熱しやすく、積極的な冷却が求められる。しかし、積極的な冷却を行った結果、半導体デバイス１１の発熱量が大きく増減すると、はんだ接合部１４に負荷がかかるようになる。

【0029】

図４～図６には、温度分布と応力分布との関係を例示している。図４は、半導体デバイスＳが配置された実装基板Ｂを示し、図５は、温度分布を示し、図６は、図５の温度分布を示す状態での応力分布を示す。

【0030】

図４に示すように、実装基板Ｂには、半導体デバイスＳの他、コンデンサＣ等の多数の電気部品が実装されている。各電気部品は、はんだを用いて実装基板Ｂに実装されている。本実装基板Ｂを用いて演算処理を行ったときには、図５に示すように、集積回路を中心として温度の高い領域が広がる。ここで示す実装基板Ｂでは、集積回路に近くに存在するコンデンサＣにも高温の領域が広がっている。

【0031】

一方で、図６の応力分布を参照すると、温度分布に対応して温度差が大きい領域（温度勾配の大きい領域）が、応力が高くなっていることが分かる。つまり、半導体デバイスＳやコンデンサＣが発熱すると、当該半導体デバイスＳ及び当該コンデンサＣの周囲にかかる応力が変化する。この応力の分布は、電気部品の発熱時のみならず、過冷却の際にも発生する。すなわち、ここでは発熱による膨張変化により生じる応力を例示しているが、過冷却による収縮変化でも同様に応力が生じる。このように温度が急激に変化して強い応力が発生すると、はんだ接合部に割れが生じるなどして、実装基板Ｂと電気部品との間に接続不良が生じてしまう。

【0032】

従来は、半導体デバイス１１を冷却させる際には、半導体デバイス１１又はその周囲の温度を指標として作動されるため、はんだ接合部１４にかかる負荷が考慮されない。単に温度を指標としたのでは、半導体デバイス１１の破壊は抑制できたとしても、はんだ接合部１４の破壊までは抑制できないおそれがある。特に、過冷却が起こった場合にもはんだ接合部１４に過剰な応力がかかる。このため、応力の変化を考慮した上で半導体デバイス１１の冷却を行う必要がある。

【0033】

そこで、本実施形態１では、演算装置１００は、はんだ接合部１４に生じる応力を推定して、該推定結果が所定応力未満になるように、ウォータポンプ２を作動させる。図３に示すように、演算装置１００は、演算量に基づく半導体デバイス１１の消費電力に基づいてはんだ接合部１４に生じる応力を推定する熱応力推定部１０２と、ウォータポンプ２を作動制御する冷却制御部１０４とを有する。熱応力推定部１０２は、半導体デバイス１１の消費電力に基づいて、該半導体デバイス１１の発熱量を推定する熱量推定部１０３を有している。熱量推定部１０３は、推定した半導体デバイス１１の発熱量から、半導体デバイス１１のジャンクション温度の温度分布を算出する。熱応力推定部１０２は、ジャンクション温度の温度分布から熱応力モデルにより、当該半導体デバイス１１のはんだ接合部１４に生じる応力を推定する。ジャンクション温度とは、半導体デバイス１１の内部温度のことであり、例えば、半導体デバイス１１の内部のリード線と素子を構成する部材の接続部の発熱温度を意味する。

【0034】

演算装置１００による半導体デバイス１１の冷却制御について、図７のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

【0035】

まず、ステップＳ１１において、演算装置１００は、各半導体デバイス１１について消費電力の情報を取得する。演算装置１００は、各半導体デバイス１１に搭載された電力センサ１１ａから消費電力の情報を取得する。

【0036】

次に、ステップＳ１２において、演算装置１００は、発熱量予想モデルにより、消費電力から半導体デバイス１１の発熱量を算出する。発熱量予想モデルは、例えば、消費電力から電力量を算出して、該電力量を発熱量に変換することで算出するモデルである。

【0037】

次いで、ステップＳ１３において、演算装置１００は、熱移動モデルにより、発熱量からジャンクション温度を算出する。熱移動モデルは、発熱量から熱流束等を算出して、該熱流束等を用いて特定位置の温度変化を求めるモデルである。

【0038】

続いて、ステップＳ１４において、演算装置１００は、前記ステップＳ１３で算出したジャンクション温度に基づいて、熱移動モデルにより半導体デバイス１１の周囲の温度分布を算出する。

【0039】

次に、ステップＳ１５において、演算装置１００は、熱応力モデルにより応力分布を算出する。熱応力モデルは、例えば、実装基板４０、はんだ接合部１４、半導体デバイス１１の線膨張係数の違いに基づいて、接合部近傍のひずみ量を算出して、該ひずみ量と弾性率とから弾性応力を算出するモデルである。

【0040】

そして、ステップＳ１６において、演算装置１００は、ジャンクション温度とはんだ接合部１４の応力とが基準範囲以内になるように、冷却水の流量の変化量を制限する流量制限制御を実行する。ステップＳ１６の後はリターンする。

【0041】

演算装置１００による流量制限制御は、図８に示すフローチャートのようになっている。

【0042】

まず、ステップＳ１０１において、演算装置１００は、現在の冷却能力Ｇ０を取得する。冷却能力Ｇ０は、冷却水の水温と流量とにより算出されるパラメータである。演算装置１００は、水温センサ６３から現在の冷却水の水温を取得するとともに、ウォータポンプ２の制御状態から現在の冷却水の流量を取得して、冷却能力Ｇ０を算出する。

【0043】

次に、ステップＳ１０２において、演算装置１００は、現在の設定から予想される冷却能力の変化量ΔＧｋを算出する。冷却能力の変化量ΔＧｋは、冷却水の流量の変化量に相当するパラメータである。この変化量は絶対値である。

【0044】

次いで、ステップＳ１０３において、演算装置１００は、現在の冷却能力Ｇ０から冷却能力の変化量ΔＧｋを差し引いた冷却能力Ｇｎを算出する。冷却能力Ｇｎは、現在の冷却能力Ｇ０よりの低い値である。

【0045】

続いて、ステップＳ１０４において、演算装置１００は、冷却能力をＧ０からＧｎに変更したときの温度分布及び応力分布を算出する。演算装置１００は、温度分布については熱移動モデルを用いて算出し、応力分布については熱応力モデルを用いて算出する。

【0046】

次に、ステップＳ１０５において、前記ステップＳ１０４で算出した温度分布及び応力分布から、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の各推定値が予め設定された基準範囲内であるかを判定する。基準範囲は、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力のそれぞれに対して設定されていて、それぞれの値が、下がりつつも過剰には低くなっていないような範囲に設定されている。演算装置１００は、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の各推定値の両方が基準範囲内であるＹＥＳのときには、ステップＳ１０７に進む一方で、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の少なくとも一方の推定値が基準範囲外であるＮＯのときには、ステップＳ１０６に進む。

【0047】

前記ステップＳ１０６において、演算装置１００は、ΔＧｋを更新する。演算装置１００は、例えば、ジャンクション温度の推定値が基準範囲よりも小さいときには、冷却能力が高すぎるとしてΔＧｋをより大きい値に更新する一方で、ジャンクション温度の推定値が基準範囲よりも大きいときには、冷却能力が不足しているとしてΔＧｋをより小さい値に変更する。演算装置１００は、ステップＳ１０６の後は、更新されたΔＧｋでもって、ステップＳ１０３～Ｓ１０５の処理を行う。

【0048】

前記ステップＳ１０７では、演算装置１００は、冷却能力をＧｎに変更する。ステップＳ１０７の後はリターンする。

【0049】

演算装置１００は、以上のようにして、半導体デバイス１１を冷却させる。図９に、従来の冷却制御と、本実施形態１の冷却制御とを比較して示す。図９（ａ）は、従来の冷却制御における、消費電力の変化、冷却能力の変化、パッケージ－基板間温度差、はんだ接合部１４の熱応力の変化を示す。図９（ｂ）は、本実施形態１に係る流量制限制御を実行した場合における、消費電力の変化、冷却能力の変化、パッケージ－基板間温度差、はんだ接合部１４の熱応力の変化を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、どちらも半導体デバイス１１の冷却を開始した状態であって、冷却能力は予め設定された設定値よりも高い値となっている。

【0050】

図９（ａ）に示すように、従来の冷却制御では、時間ｔ１ａにおいて半導体デバイス１１の消費電力を下げた後、一定の冷却能力を維持しながら半導体デバイス１１を冷却する。このとき、冷却体６０と熱的に接続されたパッケージ部分が大きく冷却される一方で、実装基板４０，５０は冷却が進まないため、パッケージ－基板間温度差は大きくなる。これにより、はんだ接合部１４にかかる熱応力も上昇する。そして、冷却が進むと、時間ｔ２ａにおいて、実装基板４０，５０も冷却されるため、温度差が小さくなって、これに伴い熱応力も小さくなる。そして、時間ｔ３ａにおいて、パッケージ－基板間温度差が実質的に０になったときに、冷却能力が前記設定値まで一気に下げられる。パッケージ－基板間温度差が実質的に０になったときには、はんだ接合部１４の熱応力も実質的に０になる。

【0051】

一方で、図９（ｂ）に示すように、本実施形態１の流量制限制御では、時間ｔ１ｂにおいて半導体デバイス１１の消費電力を下げた後、熱応力が大きく変化しないように、冷却能力を徐々に下げながら（冷却水の流量を徐々に下げながら）半導体デバイス１１を冷却する。これにより、パッケージの冷却が緩やかになって、パッケージ－基板間温度差、及びはんだ接合部１４にかかる熱応力は、従来と比較して小さくなる。そして、時間ｔ２ｂになると、実装基板４０，５０も冷却されはじめて、パッケージ－基板間温度差及び熱応力が減少する。そして、時間ｔ３ｂにおいて、パッケージ－基板間温度差及びはんだ接合部１４の熱応力が実質的に０になるときには、冷却能力も設定値まで下げられる。

【0052】

したがって、本実施形態１では、演算量に基づく半導体デバイス１１の消費電力に基づいて、はんだ接合部１４に生じる応力を推定する熱応力推定部１０２と、冷却装置（ウォータポンプ２、冷却体６０）を制御する冷却制御部１０４とを備え、冷却制御部１０４は、熱応力推定部１０２の推定結果が所定応力未満になるように、前記冷却装置を作動させる。これにより、自動車１の実際の走行シーンに応じて、前記冷却装置を適切に制御することができ、半導体デバイス１１と実装基板４０，５０とを接続するはんだ接合部１４の接続状態が悪化することを抑制することができる。

【0053】

また、本実施形態１では、冷却装置は、冷却水を利用して半導体デバイス１１を冷却する装置を含み、冷却制御部１０４は、冷却水の流量が徐々に変化するようにウォータポンプ２を作動させる。これにより、半導体デバイス１１の発熱量の変化が小さくなって、はんだ接合部１４に生じる熱応力が小さくなる。したがって、半導体デバイス１１による演算の精度を維持しつつ、はんだ接合部１４の接続状態が悪化することを抑制することができる。

【0054】

〈実施形態２〉
以下、実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明において前記実施形態１と共通の部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

【0055】

本実施形態２では、半導体デバイス１１の消費電力を調整することで該半導体デバイス１１を冷却するとともに、はんだ接合部１４に生じる熱応力を抑えるようにしている点で、前述の実施形態１とは異なる。消費電力の調整は、冷却制御部１０４が実行する。すなわち、本実施形態２では、冷却制御部１０４自身が、半導体デバイス１１の消費電力を調整することで該半導体デバイス１１の発熱量を調整する冷却装置の一部となっている。

【0056】

図１０及び図１１には、本実施形態２のおける演算装置１００による半導体デバイス１１の冷却制御のフローチャートを示す。尚、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ２１～ステップＳ２５は、前期実施形態１のステップＳ１１～ステップＳ１５と同じであるため詳細な説明は省略する。

【0057】

まず、ステップＳ２１において、演算装置１００は、各半導体デバイス１１について消費電力の情報を取得する。

【0058】

次に、ステップＳ２２において、演算装置１００は、発熱量予想モデルにより、消費電力から半導体デバイス１１の発熱量を算出する。

【0059】

次いで、ステップＳ２３において、演算装置１００は、熱移動モデルにより、発熱量からジャンクション温度を算出する。

【0060】

続いて、ステップＳ２４において、演算装置１００は、前記ステップＳ２３で算出したジャンクション温度に基づいて、熱移動モデルにより半導体デバイス１１の周囲の温度分布を算出する。

【0061】

次に、ステップＳ２５において、演算装置１００は、熱応力モデルにより応力分布を算出する。

【0062】

そして、ステップＳ２６において、演算装置１００は、ジャンクション温度とはんだ接合部１４の応力とが基準範囲以内になるように、半導体デバイス１１の消費電力の変化量を調整する電力制限制御を実行する。ステップＳ２６の後はリターンする。

【0063】

演算装置１００による電力制限制御は、まず、ステップＳ２０１において、演算装置１００は、現在の消費電力Ｐ０を取得する。

【0064】

次に、ステップＳ２０２において、演算装置１００は、現在の設定から予想される消費電力の変化量ΔＰｋを算出する。この変化量ΔＰｋは絶対値である。

【0065】

次いで、ステップＳ２０３において、演算装置１００は、現在の消費電力Ｐ０から消費電力の変化量ΔＰｋを差し引いた消費電力Ｐｎを算出する。消費電力Ｐｎは、現在の消費電力Ｐ０よりの低い値である。

【0066】

続いて、ステップＳ２０４において、演算装置１００は、消費電力をＰ０からＰｎに変更したときの温度分布及び応力分布を算出する。演算装置１００は、温度分布については熱移動モデルを用いて算出し、応力分布については熱応力モデルを用いて算出する。

【0067】

次に、ステップＳ２０５において、前記ステップＳ２０４で算出した温度分布及び応力分布から、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の各推定値が予め設定された基準範囲内であるかを判定する。基準範囲は、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力のそれぞれに対して設定されていて、それぞれの値が、下がりつつも過剰には低くなっていないような範囲に設定されている。演算装置１００は、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の各推定値の両方が基準範囲内であるＹＥＳのときには、ステップＳ２０７に進む一方で、ジャンクション温度及びはんだ接合部１４の応力の少なくとも一方の推定値が基準範囲外であるＮＯのときには、ステップＳ２０６に進む。

【0068】

前記ステップＳ２０６において、演算装置１００は、ΔＰｋを更新する。演算装置１００は、例えば、ジャンクション温度の推定値が基準範囲よりも大きいときには、消費電力が大きすぎるとしてΔＰｋをより大きい値に更新する一方で、ジャンクション温度の推定値が基準範囲よりも小さいときには、消費電力が小さすぎるとしてΔＰｋをより小さい値に変更する。演算装置１００は、ステップＳ２０６の後は、更新されたΔＰｋでもって、ステップＳ２０３～Ｓ２０５の処理を行う。

【0069】

前記ステップＳ２０７では、演算装置１００は、消費電力をＰｎに変更する。ステップＳ２０７の後はリターンする。

【0070】

図１２には、従来の冷却制御と、本実施形態２の冷却制御とを比較して示す。図１２（ａ）は、前記実施形態１において図９（ａ）に示した従来の冷却制御における、消費電力の変化、冷却能力の変化、パッケージ－基板間温度差、はんだ接合部１４の熱応力の変化と同じである。図１２（ｂ）は、本実施形態２に係る電力制限制御を実行した場合における、消費電力の変化、冷却能力の変化、パッケージ－基板間温度差、はんだ接合部１４の熱応力の変化を示す。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、どちらも半導体デバイス１１の冷却を開始した状態である。

【0071】

図１２（ｂ）に示すように、本実施形態２の電力制限制御では、冷却能力を一定に維持したまま、時間ｔ１ｃにおいて半導体デバイス１１の消費電力を徐々に下げながら（当該半導体デバイス１１の演算量を低くしながら）、当該半導体デバイス１１を冷却する。これにより、半導体デバイス１１がある程度発熱した状態となるため、パッケージの冷却が緩やかになって、パッケージ－基板間温度差、及びはんだ接合部１４にかかる熱応力は、従来と比較して小さくなる。そして、時間ｔ２ｃになると、実装基板４０，５０も冷却されはじめて、パッケージ－基板間温度差及び熱応力が減少する。そして、時間ｔ３ｃにおいて、パッケージ－基板間温度差及びはんだ接合部１４の熱応力が実質的に０になるときには、冷却能力が設定値まで下げられる。このときには、消費電力は予め設定された設定電力まで下げられている。

【0072】

以上のように、本実施形態２では、前記冷却装置は、半導体デバイス１１の消費電力を調整することで該半導体デバイス１１の発熱量を調整する装置を含み、冷却制御部１０４は、半導体デバイス１１の消費電力が徐々に変化させる。半導体デバイス１１の消費電力を徐々に変化させることで、半導体デバイス１１の発熱量の変化が小さくなる。これにより、はんだ接合部１４の熱応力が小さくなる。この結果、はんだ接合部１４の接続状態が悪化することを効果的に抑制することができる。

【0073】

〈その他の実施形態〉
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

【0074】

前述の実施形態１では、冷却能力の変化量ΔＧｋを更新しながら、ジャンクション温度の推定値とはんだ接合部１４の応力の推定値とが基準範囲内になる変化量ΔＧｋを算出していた。これに限らず、二分法を用いて、ジャンクション温度の推定値とはんだ接合部１４の応力の推定値とが基準範囲内になる最大の変化量ΔＧｋを算出するようにしてもよい。また、前述の実施形態２においても、二分法を用いて、消費電力の変化量ΔＰｋを算出するようにしてもよい。

【0075】

また、前述の実施形態１では、冷却制御部１０４は、ウォータポンプ２からの冷却水の流量を調整することで、冷却能力を調整していた。これに限らず、流水管３に流量調整用のバルブを設けて、該バルブの開度を調整することで冷却能力を調整するようにしてもよい。この場合、内燃機関に設けられたウォータポンプを利用することができる。

【0076】

また、前述の実施形態１及び２では、移動体として自動車を例示したが、実装基板に対してはんだ接合部を介して実装されかつ移動体の走行に関する演算を行うための演算用素子と、該演算用素子を冷却するための冷却装置を有する演算装置を備えていれば、自動車に限らず、例えば、船舶、飛行機、あるいは、ロボット等であっても適用可能である。

【0077】

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0078】

ここに開示された技術は、実装基板に対してはんだ接合部を介して実装されかつ移動体の走行に関する演算を行うための演算用素子と、該演算用素子を冷却するための冷却装置を有する移動体用演算装置として有用である。

【符号の説明】

【0079】

１ 自動車（移動体）
２ ウォータポンプ（冷却装置）
１１ 半導体デバイス（演算用素子）
１４ はんだ接合部
４０ 実装基板
５０ 実装基板
６０ 冷却体（冷却装置）
１００ 演算装置
１０２ 熱応力推定部
１０３ 熱量推定部
１０４ 冷却制御部（制御部、冷却装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】