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2020.08.05 Si 파워 디바이스

MOSFET의 열저항과 허용 손실 : 이면 방열이 가능한 패키지

Si 트랜지스터란?

열 계산은 회로 설계 시의 필수 사항입니다. 특히 대전력을 취급하는 파워 디바이스의 경우, 동작 수명뿐만 아니라 안전성의 면에서도 매우 중요합니다. 이제 2편에 걸쳐 MOSFET의 허용 손실과 열저항에 대해 설명하겠습니다. 본 편에서는 이면 방열이 가능한 패키지에 대해, 다음 편에서는 이면 방열이 불가능한 패키지에 대해 설명하겠습니다.

이면 방열이 가능한 패키지의 열저항

TO-220FM 및 TO-247 등 히트 싱크를 부착할 수 있는 패키지나, TO-252 및 TO-263 등의 이면 단자를 기판에 실장할 수 있는 패키지와 같이, 이면을 통해 방열이 가능한 패키지의 열저항에 관한 용어와 정의를 하기와 같이 정리하였습니다.

  • TA : 주위 (ambient) 온도
  • TJ : Junction 온도
  • TC : 패키지 이면 온도
  • TT : 패키지의 마킹면 온도
  • RthJAJA) : Junction과 주위 (ambient) 사이의 열저항
  • RthJCJC) : Junction과 패키지 이면 사이의 열저항

이면으로 방열이 가능한 패키지의 기본 구조는 리드 프레임 (그림에서는 Frame), 칩과 리드 프레임의 접착면 (Die Bonding), MOSFET 칩 (Chip), 수지 패키지 (Mold)로 구성됩니다. 기호 설명의 「Junction」이란 PN 접합을 뜻하며, 쉽게 표현하자면 칩을 뜻합니다.

하기 표는 TO-247 패키지를 채용한 Nch MOSFET의 데이터시트에 기재되어 있는 절대 최대 정격과 열저항의 예입니다. TJ는 절대 최대 정격으로 규정되어 있으므로, 최종적으로는 열 계산 시 TJ의 절대 최대 정격 (TJMAX라고 표기되어 있는 경우도 있다)을 초과해서는 안됩니다. 열저항으로는 기본이 되는 RthJA와 패키지 이면을 실장 기판 또는 히트 싱크에 밀착시켜 실장한 경우의 열 계산에 필요한 RthJC가 제시되어 있습니다.

열저항과 허용 손실의 관계

상기 절대 최대 정격표에 허용 손실 PD가 제시되어 있습니다. PD와 열저항 RthJC에는 하기 식과 같은 관계가 있습니다.

TJ에는 최대 정격치인 150℃, TC에는 허용 손실치의 조건인 25℃를 대입합니다. RthJC에는 최대치 0.26℃/W를 대입합니다. *4의 주석과 같이 RthJC는 TC=25℃에서의 값이므로 PD의 규정 조건과 일치합니다. 계산 결과 약 480W로, 표에 기재되어 있는 PD 값과 일치합니다.

이 식을 좀더 알기 쉽게 해석하자면, TJ의 절대 최대 정격과 TC의 차이는 칩의 자기 발열의 허용치입니다. 상기 조건에서는 150-25=125℃이므로, 칩은 125℃까지의 발열이 허용되는 것입니다. 발열은 열저항×소비전력이므로, 허용 가능한 발열을 열저항으로 나누면, 허용 가능한 소비전력 즉 허용 손실을 얻을 수 있습니다.

여기에서 이해해두어야 할 사항이 있습니다. 제시되어 있는 RthJC는 TC=25℃라는 조건이 있습니다. 반대로 말하면 TC가 25℃가 아닐 경우 RthJC는 0.26℃/W가 아니게 됩니다. 실제의 사용 조건을 생각하면, TC가 25℃인 경우는 거의 있을 수 없는 조건이므로, 상기 예의 데이터시트에 제시되어 있는 RthJC는 실제의 사용 조건을 바탕으로 한 열 계산에는 적용할 수 없게 됩니다. 데이터시트에 제시되어 있음에도 실제로는 사용할 수 없다는 것이 모순이지만, 대부분의 경우, 사양치를 규정하기 위해서는 특정 조건이 필요하기 때문에, 열저항을 비롯한 데이터시트의 규정치는 특정 조건에서의 값이라는 점이 기정사실입니다.

따라서 RthJC를 사용하여 실제 사용 조건에서의 허용 손실을 구하기 위해서는, 해당 조건에서의 RthJC를 측정하여 파악해야 합니다. 그러나, 이러한 측정을 위해서는 측정기 및 환경 구축 등이 필요합니다.

또 한가지 방법으로서, RthJA를 통해 구하는 방법이 있습니다. TJ와 RthJA의 관계는 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다.

P는 전력 손실 (소비전력)입니다. 괄호 안은 칩의 자기 발열에 해당하며, 이 자기 발열에 주위 온도 TA를 더한 값이 TJ가 됩니다. RthJA를 이용함으로써, 앞서 기재한 식의 TC가 TA로 치환되었다고 생각해 주십시오. 이 계산으로, TJ가 절대 최대 정격인 150℃를 넘지 않도록 전력 손실 P 또는 TA를 조정하게 됩니다.

이 식으로 계산하기 위해서는 주위 온도와 해당 MOSFET의 전력 손실, 그리고 RthJA를 파악해야 합니다. 주위 온도와 전력 손실은 비교적 용이하게 파악할 수 있습니다. 이러한 패키지 종류의 RthJA는 실장하는 기판의 패키지 이면의 솔더링 패드 면적 및 동박의 두께, 기판의 재질 및 층수에 따라 달라집니다. 표준적인 기판 조건에서 실장 시의 RthJA를 입수할 수 있는 경우도 있습니다.

키 포인트

・열 계산 시에는, 각종 열저항, 손실 전력으로부터 TJ를 구하고, 최종적으로 TJ의 절대 최대 정격을 초과하지 않음을 확인한다.

・허용 손실은 TJ가 절대 최대 정격을 넘지않는 전력 손실을 역산한 것이다.

・규격치, 절대 최대 정격 등은, 그것을 규정하는 조건에 주의한다.

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