열 저항 데이터 : TJ 산출 시 θJA와 ΨJT (2)

지난 편에서는, T_J의 산출 계산 시의 θ_JA와 Ψ_JT 사용 방법을 테마로, θ_JA와 Ψ_JT을 사용하여 무엇이 가능한지에 대해 설명했습니다. 이번에는 Ψ_JT의 특성과 T_J의 산출 시 θ_JA와 Ψ_JT의 유효성에 대해 설명하겠습니다. 열 저항 데이터를 사용한 T_J의 산출 계산 예는 별도로 설명하겠습니다.

조건에 따른 θ_JA와 Ψ_JT의 특성과 유효성

Ψ_JT는 디바이스 전체의 소비전력에 대한 Junction과 패키지 상면 중심의 온도차를 나타내는 열 특성 파라미터로, 실제 기기의 실제 동작 상태에서의 T_J 추정에 이용 가능합니다. 그러나, 실제 동작 조건 중에는 θ_JA 및 Ψ_JT에 영향을 미치고 T_J 산출의 유효성을 좌우하는 조건이 있습니다. 몇가지 예를 들어 각각의 특성과 유효성에 대해 설명하겠습니다.

●실드 케이스 등으로 차폐된 상태
EMC 대응 등의 이유로, 대상 디바이스가 실드 케이스로 차폐된 경우가 있습니다. 하기는 실드 케이스의 유무에 따른 θ_JA와 Ψ_JT의 실측 비교입니다.

실드 케이스가 있으면, θ_JA, Ψ_JT 모두 상승하지만, θ_JA는 변동이 크기 때문에 T_J 산출에는 사용할 수 없습니다. Ψ_JT의 경우, 원래의 수치가 작고 변동도 작으므로 T_J 계산에 그대로 사용해도 큰 오차는 발생하지 않습니다. 예를 들어 실드 케이스가 없는 Ψ_JT＝9.4℃/W를 사용하여, 실드 케이스가 있는 경우의 T_J를 계산하면 하기와 같아지고, 실제의 온도 106.7℃와 비교하여 오차는 1% 이하입니다.

●Resin-sealing된 실드 케이스 등으로 차폐된 상태
보호 목적으로 실장 부품을 포함한 기판을 resin-sealing하는 경우가 있습니다. 지금부터는 실드 케이스 등으로 차폐된 상태를 가정하여 설명하겠습니다.

θ_JA는 resin-sealing에 의해 열 저항이 대폭 저하되므로, 이 조건에서는 θ_JA를 T_J 계산에 사용할 수 없습니다. Ψ_JT는 증가 경향이 있으며, 크게 변동합니다. resin-sealing과 실드 케이스가 없는 경우의 Ψ_JT=9.4℃/W를 사용하여 resin-sealing된 실드 케이스가 있는 경우의 T_J를 계산하며 하기와 같아집니다.

실제 온도 53.3℃와 비교하면 오차는 8% 정도입니다. 이 오차를 허용할 것인지, 보정하여 T_J 계산에 사용할 것인지는 검토가 필요합니다.

●발열원이 되는 부품이 인접한 상태
본래는 피해야 하는 상태이지만, 부품 실장 시 발열하는 부품이 인접하는 경우가 있습니다. 하기는 2개의 부품이 적당한 거리를 두고 배치된 경우 (중앙)와 인접하여 배치된 경우 (오른쪽)의 θ_JA와 Ψ_JT입니다.

데이터가 나타내는 바와 같이 부품간 간격이 좁아지면 θ_JA, Ψ_JT 모두 증가하지만, θ_JA의 경우 변동이 크므로 T_J 산출에는 사용할 수 없습니다. Ψ_JT도 당연히 변동하지만, 원래의 수치가 작고 변동폭도 적으므로, T_J 산출에 사용해도 큰 오차는 발생하지 않습니다. 예를 들어, 부품 1개일 때의 Ψ_JT=9.4℃/W를 사용하여 2개가 인접한 상태의 T_J를 계산하면, 하기와 같아지고, 실제 온도 101.5℃에 비교하면 오차는 1% 이하입니다.

●기판 층수가 달라지는 경우
하기는 기판의 층수가 달라지면, θ_JA와 Ψ_JT가 어떻게 변하는지를 나타낸 것입니다.

θ_JA는 기판 층수가 증가함에 따라 크게 낮아지므로, 이 경우에도 θ_JA를 T_J 계산에 사용할 수 없습니다. Ψ_JT도 마찬가지로 크게 변동하지만, 예를 들어 1s (1층 기판)일 때의 Ψ_JT=9.4℃/W를 사용하여 2s2p (4층 기판)일 때의 T_J를 계산하면 하기와 같아집니다.

실제 온도 36.3℃와 비교하면 오차는 6% 정도이지만, 이 오차를 허용할 것인지, 보정할 것인지는 검토가 필요합니다.

정리

실제 기기에서의 실장을 가정한 4개의 조건에 따른 θ_JA와 Ψ_JT를 비교했습니다. θ_JA는 지난 편에서 설명한 바와 같이, 동박이나 기판과 같은 방열 조건 및 인접하는 부품으로부터의 열 간섭을 받기 때문에, 실제 기기에서의 T_J 산출 계산에 사용하기 어렵습니다.

반면에 Ψ_JT는 실장 조건에 따라 변화하지만, 원래의 수치가 작고, 조건에 따라서는 변동치가 적기 때문에, 사용하는 기판이나 실제 기기의 상태를 파악하여 T_T를 높은 정밀도로 측정함으로써, 제시된 Ψ_JT를 사용하여 실제 사용 시의 T_J 산출에 사용할 수 있습니다.