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2021.07.28 열 설계

열 저항과 방열의 기본 : 전열과 방열 경로

전자기기의 반도체 부품 열 설계

열은 물체나 공간을 따라 전달됩니다. 전달이란 열의 발생원으로부터 열이 이동하는 것을 의미합니다.

전열의 3가지 형태

열의 전달에는 전도, 대류, 방사 (복사)의 3가지 형태가 있습니다.
・전도 : 열 에너지에 의한 분자의 운동이, 근접한 분자로 전파되는 것
・대류 : 공기나 물 등의 유체에 의한 열 이동
・방사 (복사) : 전자파에 의한 열 에너지의 방출

방열 경로

발생된 열은 전도, 대류, 방사에 의해 다양한 경로를 거쳐 외부로 방출됩니다. 여기에서는 「반도체 부품의 열 설계」가 테마이므로, 프린트 기판에 실장된 IC를 예로 들어 설명하겠습니다.

발열원은 IC 칩입니다. 이 열이 패키지, 리드 프레임, 다이 부착 패드 (die attach pad), 프린트 기판에 전도되고, 프린트 기판이나 IC 패키지 표면에서 대류, 방사에 의해 대기로 전달됩니다. 이것을 열 저항을 사용하여 나타내면 아래 그림과 같습니다.

오른쪽 그림의 IC 단면도 각부분의 색은 왼쪽 회로망 원의 색과 일치합니다 (예를 들면 칩은 빨간색). 칩 온도 TJ는 회로망의 열 저항을 통해 주위 환경 온도 TA에 전달됩니다.
빨간색 점선으로 표시한 경로는 프린트 기판 (PCB)에 표면 실장한 경우의 메인 방열 경로입니다. 구체적으로는 칩에서 다이 본드 (칩과 이면 노출 프레임의 접착제)를 통해 이면 노출 프레임 (패드)으로 전도되고, 프린트 기판 랜드 상의 솔더를 통해 프린트 기판으로 전도됩니다. 그리고 그 열은 프린트 기판에서의 대류와 방사에 의해 대기 (TA)로 전달됩니다.
기타 경로로는, 칩에서 본딩 와이어를 통해 리드 프레임, 그리고 프린트 기판으로 전달되어 대류, 방사되는 경로와, 칩에서 패키지를 통해 대류, 방사되는 경로가 있습니다.

이러한 경로의 열 저항과 IC의 손실 전력을 알면, 지난 편에서 설명한 열의 옴 법칙으로 온도차, 이 경우에서는 TA와 TJ의 차를 계산할 수 있습니다.

열 설계란, 이러한 각각의 열 저항을 저감시키는 것입니다. 즉, 칩에서 대기까지의 방열 경로의 열 저항을 저감시키는 것입니다. 이러한 열 설계를 통해 TJ가 저하되어 신뢰성이 향상됩니다.

키 포인트

・열의 전달에는 전도, 대류, 방사 (복사)의 3가지 형태가 있다.

・프린트 기판에 실장된 IC를 예로 들면, 발열원은 IC 칩이고, 그 열이 패키지, 리드 프레임, 다이 부착 패드 (die attach pad), 프린트 기판으로 전도된다. 그리고 그 열은 프린트 기판이나 IC 패키지 표면에서 대류, 방사에 의해 대기로 전달된다.

・이러한 경로의 열 저항과 IC의 손실 전력을 알면, 열의 옴 법칙을 통해 TA와 TJ의 차를 계산할 수 있다.

・열 설계란 칩에서 대기까지의 방열 경로의 열 저항을 저감시키는 것이다.

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