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2022.02.24 열 설계

열 저항 데이터 : TJ 산출 시 θJA와 ΨJT (1)

전자기기의 반도체 부품 열 설계

지난 편에서는, 열 저항 데이터의 θJA와 ΨJT의 정의에 대해 설명했습니다. 이번에는 TJ의 산출 계산 시, θJA와 ΨJT를 어떻게 사용하는지에 대해 2회에 걸쳐 설명하겠습니다. 그리고, 열 저항 데이터를 사용한 TJ의 산출 계산 예는 별도로 설명하겠습니다.

θJA와 ΨJT

하기 표는 지난 편에서 정리한 θJA와 ΨJT의 정의와 용도, 계산식입니다. θJA는 Junction에서 주위 온도까지의 열 저항으로, 방열에는 여러 개의 열 경로가 존재합니다. ΨJT는 Junction에서 패키지 상면 중심까지의 열 특성 파라미터입니다. ΨJT의 계산식에 포함된 TT는 패키지 상면 중심의 온도입니다.

기호 정의 용도 계산식
θJA Junction과 주위 환경의 열 저항 형상이 다른 패키지의 방열 성능 비교 θJA=(TJ-TA) / P
ΨJT 디바이스 전체의 소비전력 P에 대한 Junction과 패키지 상면 중심의 온도차를 나타내는 열 특성 파라미터 실제 세트 (실제의 방열 환경)에서의 Junction 온도 추정 ΨJT=(TJ-TT) / P

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

θJA에 대하여

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

●TA는 어느 부분의 온도인가?
최종적인 판단을 위해 TJ의 산출이 필요합니다. θJA를 사용하여 TJ를 구하는 경우에는, 주위 환경 온도인 TA가 필요합니다.

TA에 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 TA를 측정하지만, 메이커에 따라서는 개별적으로 TA 측정 조건을 제시하는 경우도 있습니다.

또한, JEDEC Standard에서는 발열의 영향을 받지 않는 공간에서 TA를 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, TA로 추정되는 부분의 온도가 정말로 TA인지, 판단하기 어렵습니다.

●유효 방열 범위가 달라지면 θJA는 변화한다.
표면 실장 패키지 IC의 데이터시트에 제시되어 있는 θJA는, 조건으로 방열용 동박 면적, 기판의 재질 및 두께가 제시되어 있습니다. 이는 반대로 말하면, 「실장 조건에 따라 θJA가 달라진다」는 의미라고 할 수 있습니다. 오른쪽 그래프는 θJA와 IC 실장부의 표면 동박 면적의 관계를 나타낸 데이터의 예입니다. 동박 면적이 증가하면 θJA는 작아지지만, θJA의 변화는 직선적이지 않습니다. 따라서, 이러한 그래프가 제공되지 않으면, 실제 기판의 해당 면적에서 θJA를 추정하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 이러한 그래프가 반드시 제공되는 것은 아닙니다.

따라서, 특히 오늘날의 상황에서 θJA를 사용하여 열 설계를 하는 것은 어렵다고 여겨지고 있습니다. 최근 TJ의 산출 방법으로 주로 사용되고 있는 것은, 대상의 패키지 상면 중심의 온도 TT를 실측하여 ΨJT에서 TJ를 산출하는 방법입니다.

ΨJT에 대하여

ΨJT는 디바이스 전체의 소비전력 P에 대한 Junction과 패키지 상면 중심의 온도차를 나타내는 열 특성 파라미터입니다. 하기 그림은 TJ와 TT의 이미지를 나타낸 것입니다. TT는 패키지 상면 중심의 온도이므로 실제 기기에서의 실제 동작 상태에서 열전대 등을 사용하여 실측할 수 있습니다.

TT 값을 산출한 후에는, 앞서 제시한 ΨJT의 산출 식을 변형하여 TJ를 구할 수 있습니다.

 ΨJT=(TJ-TT) / P  ⇒  TJ=TT+ΨJT×P

「ΨJT×P」는 TJ와 TT의 온도차이므로, TT 값에 더하면 TJ가 됩니다.

다음 편에서는 실제 기기의 여러 조건과 θJA 및 ΨJT의 관계, TJ의 산출 시 ΨJT의 유효성에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・최근의 기기 실장 조건으로는, θJA를 사용한 열 설계 검토는 어렵다고 여겨지고 있다.

・최근 TA의 정의는 일률적으로 정의하기 어렵고, 개별적으로 정의가 요구되고 있다.

・실장 밀도가 높은 기기에서 TA의 실측은 매우 어렵다.

・최근에는 비교적 측정이 쉬운 TT와 ΨJT를 통한 TJ의 산출이 주류를 이루고 있다.

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