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2022.02.24 열 설계

열 저항 데이터 : TJ 산출 시 θJA와 ΨJT (2)

전자기기의 반도체 부품 열 설계

지난 편에서는, TJ의 산출 계산 시의 θJA와 ΨJT 사용 방법을 테마로, θJA와 ΨJT을 사용하여 무엇이 가능한지에 대해 설명했습니다. 이번에는 ΨJT의 특성과 TJ의 산출 시 θJA와 ΨJT의 유효성에 대해 설명하겠습니다. 열 저항 데이터를 사용한 TJ의 산출 계산 예는 별도로 설명하겠습니다.

조건에 따른 θJA와 ΨJT의 특성과 유효성

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

●기판 방열 성능의 변화
오른쪽 그래프는 기판 표층 동박 면적과 θJA, ΨJT의 관계를 나타낸 것입니다. θJA는 동박 면적, 즉 PCB에 유입되는 열의 영향을 크게 받지만, ΨJT는 디바이스의 열 대부분이 PCB에 유입되므로 TJ-TT 간 온도차는 매우 작아지고, 이에 따라 ΨJT의 값과 변화도 작아집니다. 따라서, θJA는 실장 기판의 조건에 따라서 크게 변화하기 때문에 TJ의 산출에 그대로 사용하는 것은 어렵지만, ΨJT는 PCB에 따른 차이가 작으므로 적용 가능합니다.

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

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

T_J=0.5W×9.4℃/W+101.3℃=106.0℃

●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.

θJA는 resin-sealing에 의해 열 저항이 대폭 저하되므로, 이 조건에서는 θJA를 TJ 계산에 사용할 수 없습니다. ΨJT는 증가 경향이 있으며, 크게 변동합니다. resin-sealing과 실드 케이스가 없는 경우의 ΨJT=9.4℃/W를 사용하여 resin-sealing된 실드 케이스가 있는 경우의 TJ를 계산하며 하기와 같아집니다.

실제 온도 53.3℃와 비교하면 오차는 8% 정도입니다. 이 오차를 허용할 것인지, 보정하여 TJ 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 θJA와 ΨJT입니다.

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

T_J=0.5W×9.4℃/W+96.3℃=101.0℃

●기판 층수가 달라지는 경우
하기는 기판의 층수가 달라지면, θJA와 ΨJT가 어떻게 변하는지를 나타낸 것입니다.

θJA는 기판 층수가 증가함에 따라 크게 낮아지므로, 이 경우에도 θJA를 TJ 계산에 사용할 수 없습니다. ΨJT도 마찬가지로 크게 변동하지만, 예를 들어 1s (1층 기판)일 때의 ΨJT=9.4℃/W를 사용하여 2s2p (4층 기판)일 때의 TJ를 계산하면 하기와 같아집니다.

T_J=0.5W×9.4℃/W+33.7℃=38.4℃

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 θJA와 ΨJT를 비교했습니다. θJA지난 편에서 설명한 바와 같이, 동박이나 기판과 같은 방열 조건 및 인접하는 부품으로부터의 열 간섭을 받기 때문에, 실제 기기에서의 TJ 산출 계산에 사용하기 어렵습니다.

반면에 ΨJT는 실장 조건에 따라 변화하지만, 원래의 수치가 작고, 조건에 따라서는 변동치가 적기 때문에, 사용하는 기판이나 실제 기기의 상태를 파악하여 TT를 높은 정밀도로 측정함으로써, 제시된 ΨJT를 사용하여 실제 사용 시의 TJ 산출에 사용할 수 있습니다.

키 포인트

・실제 기기에 실장된 상태에서 θJA를 사용한 TJ 산출은 기본적으로 불가능하다.

・ΨJT는 실장 조건에 따라 달라지지만, 사용하는 기판 및 실제 기기의 상태를 파악하고 있으면, 실제 사용 시의 TJ 산출에 사용할 수 있다.

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