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2022.10.26 열 설계

표면 실장 시의 방열 면적 산출과 주의점

전자기기의 반도체 부품 열 설계

지금까지 열 저항 및 열 특성 파라미터를 사용하여 TJ를 산출하는 방법에 대해 설명했습니다. 이번에는 표면 실장 시 TJ MAX를 유지하기 위한 방열 면적 산출 방법과, 열에 관한 부품 레이아웃의 주의점에 대해 설명하겠습니다.

부품 배치와 열의 간섭

최근 소형화 요구에 따라, 회로 기판에 있어서도 소형화가 필요시되어 부품의 실장 밀도가 높아지는 경향이 있습니다. 그러나, 발열하는 부품 (본 내용에서는 IC)은 실장 기판을 방열기로 이용해야 하므로 일정 면적이 필요하게 됩니다. 이 면적이 확보되지 않으면 열 저항이 높아져 발열이 커지게 됩니다. 또한, 발열하는 IC가 가깝게 실장되면, 상호 발열이 간섭하여 온도 상승을 초래하게 됩니다.

하기 그림은 표면 실장된 IC의 방열 경로와 발열하는 IC가 밀집되어 있는 경우의 방열을 이미지화 한 것입니다.

IC의 발열은 가로 방향 (면적)과 세로 방향 (기판 두께)으로 전도되어 방열됩니다. 그러나, IC가 밀집되어 있는 경우, 특히 가로 방향으로의 방열이 상호 간섭하여 열이 빠져나갈 공간이 없어집니다. 이에 따라, 온도 상승을 초래하게 됩니다.

방열에 필요한 기판 면적 산출

표면 실장 시, IC가 TJ MAX를 유지할 수 있는 열 저항을 얻기 위해서는, 그에 합당한 방열 면적이 필요합니다. 그리고, 열적 간섭을 일으키지 않도록 하는 것도 중요합니다. 하기 그림은 열 간섭을 일으키지 않기 위해 필요한 간격의 이미지입니다. 이 간격을 최저한 만족한 조건에서, θJA와 동박 면적의 관계 그래프를 통해 필요한 방열 면적을 산출합니다.

그림과 같이 IC의 끝에서 기판 면에 대해 45°의 직선이, 간섭하지 않는 최저한의 간격입니다. 다음으로 사용 조건을 바탕으로 필요한 θJA를 산출합니다.

조건 예 : IC의 전력 소비=1W, 최대 주위 온도 TA(HT)=85℃, TJ의 허용 최대치=140℃

오른쪽 그래프에서 θJA=55℃/W를 만족하기 위해서는 500mm2 이상의 동박 면적이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

이와 같이, 열 간섭을 피할 수 있는 간격과 필요한 방열 면적을 확보하여, 최종적인 IC의 배치를 검토합니다.

키 포인트

・발열하는 IC를 고밀도 실장하는 경우, 열적인 간섭이 발생하여 온도 상승을 초래한다.

・허용할 수 있는 최대 TJ를 사용하여 필요한 θJA를 구하고, 그에 적합한 방열 면적을 산출한다.

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