열 저항 데이터 : TJ 산출 시 θJA와 ΨJT (1)

지난 편에서는, 열 저항 데이터의 θ_JA와 Ψ_JT의 정의에 대해 설명했습니다. 이번에는 T_J의 산출 계산 시, θ_JA와 Ψ_JT를 어떻게 사용하는지에 대해 2회에 걸쳐 설명하겠습니다. 그리고, 열 저항 데이터를 사용한 T_J의 산출 계산 예는 별도로 설명하겠습니다.

θ_JA와 Ψ_JT

하기 표는 지난 편에서 정리한 θ_JA와 Ψ_JT의 정의와 용도, 계산식입니다. θ_JA는 Junction에서 주위 온도까지의 열 저항으로, 방열에는 여러 개의 열 경로가 존재합니다. Ψ_JT는 Junction에서 패키지 상면 중심까지의 열 특성 파라미터입니다. Ψ_JT의 계산식에 포함된 T_T는 패키지 상면 중심의 온도입니다.

용도에, θ_JA는 「형상이 다른 패키지의 방열 성능 비교」, Ψ_JT는 「실제 세트에서의 Junction 온도 추정」이라고 기재되어 있습니다. 그 이유에 대해 알아보겠습니다.

θ_JA에 대하여

열 설계에 있어서 「θ_JA는 열 설계에 적용 가능한가?」를 검토합니다. 결론부터 말하자면, θ_JA를 통한 열 설계 검토는 어렵습니다. 그 주요 이유를 하기와 같이 정리하였습니다.

●T_A는 어느 부분의 온도인가?
최종적인 판단을 위해 T_J의 산출이 필요합니다. θ_JA를 사용하여 T_J를 구하는 경우에는, 주위 환경 온도인 T_A가 필요합니다.

T_A에 대해서는 JEDEC Standard에 정의되어 있습니다. 하기를 참고하여 주십시오.

▶JESD51-2A Integrated Circuits Thermal Test Method Environmental Conditions – Natural Convection (Still Air)

기본적으로는 JEDEC에 준거한 부분에서 T_A를 측정하지만, 메이커에 따라서는 개별적으로 T_A 측정 조건을 제시하는 경우도 있습니다.

또한, JEDEC Standard에서는 발열의 영향을 받지 않는 공간에서 T_A를 정의하지만, 최근의 기기 실장이 고밀도화되어 있기 때문에, 과연 발열의 영향을 받지 않는 공간이 있는지에 대한 의문도 제기되고 있습니다.

●고밀도 실장화

앞서 설명한 바와 같이, 고밀도 실장화에 따라 기판상에는 IC를 비롯하여 발열하는 부품이 많이 탑재되어 있습니다. 현실적으로 대상에 인접한 IC 등과의 열 간섭으로 인해 온도 상승이 발생하게 되고, T_A로 추정되는 부분의 온도가 정말로 T_A인지, 판단하기 어렵습니다.

●유효 방열 범위가 달라지면 θ_JA는 변화한다.

표면 실장 패키지 IC의 데이터시트에 제시되어 있는 θ_JA는, 조건으로 방열용 동박 면적, 기판의 재질 및 두께가 제시되어 있습니다. 이는 반대로 말하면, 「실장 조건에 따라 θ_JA가 달라진다」는 의미라고 할 수 있습니다. 오른쪽 그래프는 θ_JA와 IC 실장부의 표면 동박 면적의 관계를 나타낸 데이터의 예입니다. 동박 면적이 증가하면 θ_JA는 작아지지만, θ_JA의 변화는 직선적이지 않습니다. 따라서, 이러한 그래프가 제공되지 않으면, 실제 기판의 해당 면적에서 θ_JA를 추정하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 이러한 그래프가 반드시 제공되는 것은 아닙니다.

따라서, 특히 오늘날의 상황에서 θ_JA를 사용하여 열 설계를 하는 것은 어렵다고 여겨지고 있습니다. 최근 T_J의 산출 방법으로 주로 사용되고 있는 것은, 대상의 패키지 상면 중심의 온도 T_T를 실측하여 Ψ_JT에서 T_J를 산출하는 방법입니다.

Ψ_JT에 대하여

Ψ_JT는 디바이스 전체의 소비전력 P에 대한 Junction과 패키지 상면 중심의 온도차를 나타내는 열 특성 파라미터입니다. 하기 그림은 T_J와 T_T의 이미지를 나타낸 것입니다. T_T는 패키지 상면 중심의 온도이므로 실제 기기에서의 실제 동작 상태에서 열전대 등을 사용하여 실측할 수 있습니다.

T_T 값을 산출한 후에는, 앞서 제시한 Ψ_JT의 산출 식을 변형하여 T_J를 구할 수 있습니다.

 Ψ_JT＝(T_J－T_T) / P　　⇒　　T_J＝T_T＋Ψ_JT×P

「Ψ_JT×P」는 T_J와 T_T의 온도차이므로, T_T 값에 더하면 T_J가 됩니다.

다음 편에서는 실제 기기의 여러 조건과 θ_JA 및 Ψ_JT의 관계, T_J의 산출 시 Ψ_JT의 유효성에 대해 설명하겠습니다.