MOSFET의 열저항과 허용 손실 : 이면 방열이 가능한 패키지

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.

• T_A : 주위 (ambient) 온도
• T_J : Junction 온도
• T_C : 패키지 이면 온도
• T_T : 패키지의 마킹면 온도
• R_thJA (θ_JA) : Junction과 주위 (ambient) 사이의 열저항
• R_thJC (θ_JC) : 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. T_J는 절대 최대 정격으로 규정되어 있으므로, 최종적으로는 열 계산 시 T_J의 절대 최대 정격 (T_JMAX라고 표기되어 있는 경우도 있다)을 초과해서는 안됩니다. 열저항으로는 기본이 되는 R_thJA와 패키지 이면을 실장 기판 또는 히트 싱크에 밀착시켜 실장한 경우의 열 계산에 필요한 R_thJC가 제시되어 있습니다.

열저항과 허용 손실의 관계

상기 절대 최대 정격표에 허용 손실 P_D가 제시되어 있습니다. P_D와 열저항 R_thJC에는 하기 식과 같은 관계가 있습니다.

T_J에는 최대 정격치인 150℃, T_C에는 허용 손실치의 조건인 25℃를 대입합니다. R_thJC에는 최대치 0.26℃/W를 대입합니다. *4의 주석과 같이 R_thJC는 T_C＝25℃에서의 값이므로 P_D의 규정 조건과 일치합니다. 계산 결과 약 480W로, 표에 기재되어 있는 P_D 값과 일치합니다.

이 식을 좀더 알기 쉽게 해석하자면, T_J의 절대 최대 정격과 T_C의 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 R_thJC는 T_C＝25℃라는 조건이 있습니다. 반대로 말하면 T_C가 25℃가 아닐 경우 R_thJC는 0.26℃/W가 아니게 됩니다. 실제의 사용 조건을 생각하면, T_C가 25℃인 경우는 거의 있을 수 없는 조건이므로, 상기 예의 데이터시트에 제시되어 있는 R_thJC는 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 R_thJC를 사용하여 실제 사용 조건에서의 허용 손실을 구하기 위해서는, 해당 조건에서의 R_thJC를 측정하여 파악해야 합니다. 그러나, 이러한 측정을 위해서는 측정기 및 환경 구축 등이 필요합니다.

또 한가지 방법으로서, R_thJA를 통해 구하는 방법이 있습니다. T_J와 R_thJA의 관계는 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다.

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

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