열 설계란?

전자기기 설계에서는 소형화, 고효율화, EMC (전자 양립성) 대응 등이 과제로 중요시되고 있습니다. 최근에는 열 대책이 중요시됨에 따라 열 설계가 새로운 과제로 대두되고 있습니다. 열은 부품 및 기기의 성능이나 신뢰성, 그리고 안정성에 관련되는 항목이므로 예전부터 중요 검토 사항이었습니다. 최근 전자기기에 대한 요구가 변화함에 따라 기존의 접근 방법에 대해 다시금 생각해볼 필요가 있으므로, 본 테크웹의 새로운 테마로서 전개하고자 합니다.

「전자기기의 반도체 부품 열 설계」 편에서는 기본적으로 전자기기에 사용되는 IC 및 트랜지스터 등의 반도체 부품을 전제로 하여 열 설계에 대해 설명하겠습니다.

열 설계란?

반도체 부품에는 패키지 내부의 칩 온도인 Junction (접합부) 온도의 절대 최대 정격 Tjmax가 규정되어 있습니다. 설계 시에는 부품이 Tjmax를 넘지 않도록 발열 및 주위온도를 검토해야 합니다. 이를 위해 사용하는 모든 반도체 부품에 관한 열 계산을 실시하여, Tjmax를 초과하는지의 여부, 초과한다면 손실 저감이나 방열 개선 등의 대책을 실시하여, Tjmax를 최대 정격 범위에 포함되도록 합니다. 단적으로 말하자면, 이것이 바로 열 설계입니다.

물론 전자기기에는 반도체 부품뿐만 아니라, 콘덴서나 저항기, 모터 등 다양한 부품이 사용되고, 각각에 온도 및 전력 손실에 관련된 절대 최대 정격이 존재하므로, 실제로는 기기를 구성하는 모든 부품의 온도에 관한 최대 정격을 넘지 않도록 설계해야 합니다.

설계 단계에서 확실한 열 설계가 필요한 이유

설계 단계에서 열 설계를 확실하게 실시하지 않는 경우, 제품의 프로토타입 제작 단계나 경우에 따라서는 양산 직전에 열로 인한 문제가 발견되기도 합니다. 열뿐만 아니라 모든 문제에 대한 대책은, 양산 공정에 가까워질수록 소요되는 시간과 비용이 증가합니다. 또한, 제품 출하가 늦어지면 기회손실 등 큰 문제로 이어지게 됩니다. 최악의 경우, 시장 출시 후 문제가 발생하여 리콜이나 신용 문제로 발전할 수도 있습니다.

열로 인한 문제는 발연에서 발화, 화재 등 인명에 관련될 가능성이 충분히 있으므로, 근본적으로 열 설계는 매우 중요합니다. 따라서, 초기 단계에서 확실한 열 설계가 필수인 것입니다.

열 설계의 중요성

최근의 전자기기는 기본적으로 소형 · 고성능화가 요구되고 있으며, 이에 따라 고집적화가 가속화되고 있습니다. 구체적으로는 부품수가 증가하여 기판 상의 실장 밀도도 높아지고, 하우징의 사이즈는 한계에 가깝게 작아지고 있습니다. 이로 인해, 발열 밀도는 대폭 상승되었습니다.

먼저 인식해야 하는 것은, 기술 트렌드의 변화로 인해 열 설계는 더욱 까다로워지고 있다는 점입니다. 앞서 기술한 바와 같이, 기기뿐만 아니라 부품에도 「소형화」와 「고기능화」, 그리고 「디자인성」이 요구되어, 열 대책은 큰 과제로 떠오르고 있습니다. 열 설계는 기기의 신뢰성과 안전성, 그리고 토탈 비용 삭감으로 이어지므로 그 중요성이 높아지고 있습니다.

본 테마에서는 열 설계의 중요성, 열 저항과 방열, Tj의 산출 예, 열 시뮬레이션 등에 관해 다룰 예정입니다.