소비 전력, 주위 온도, 데이터시트의 열저항을 입력하면 칩 내부의 접합 온도 Tj를 추정합니다. 방열판이 없는 경우(θJA)와 있는 경우(θJC + θCS + θSA)의 두 가지를 비교하며, 각각 최대 접합 온도까지의 여유와 허용되는 최대 전력을 보여 줍니다.
결과
접합 온도 Tj
Tj(max)까지의 여유
최대 전력
방열판 없음 (θJA)
–
–
–
방열판 있음 (–)
–
–
–
Tj = Ta + P × θ로 구한 정상 상태 값이며, 최대 전력은 (Tj(max) − Ta) ÷ θ입니다. 짧은 전력 펄스에 의한 과도 발열은 포함하지 않습니다. θJA는 기판과 공기 흐름에 따라 크게 달라지므로 참고값으로 보십시오.
그래프로 보기
다른 입력은 현재 값 그대로 두고, 선택한 입력만 현재 값의 1/4~4배 범위에서 바꿨을 때의 결과입니다. 빨간 점이 현재 값입니다.
열저항은 전기 회로처럼 동작합니다
칩에서 소비된 전력은 열로 바뀌어 접합부에서 패키지와 기판 또는 방열판을 거쳐 주변 공기로 흐릅니다. 열저항 θ는 열 흐름 1 W당 생기는 온도 차이로, 단위는 ℃/W입니다. 온도 차이를 전압, 열 흐름을 전류로 보면 옴의 법칙 ΔT = P × θ가 성립하고, 직렬로 연결된 열저항은 단순히 더하면 됩니다. 따라서 접합 온도는 Tj = Ta + P × θJA입니다. 기본값인 P = 1 W, Ta = 25 ℃, θJA = 50 ℃/W에서는 Tj = 75 ℃가 되어, Tj(max) 125 ℃까지 50 ℃의 여유가 남습니다.
θJA가 기판에 따라 달라지는 이유와 ψJT
θJA는 패키지만의 특성이 아닙니다. 기판 크기, 구리층 수, 구리 면적, 공기 흐름에 따라 크게 달라집니다. 데이터시트 값은 대부분 JEDEC 표준 시험 기판에서 정지 공기 조건으로 측정한 것이므로 패키지끼리 비교하는 데 가장 적합합니다. 실제 제품에서는 열이 기판의 구리를 통해 퍼지므로 θJA가 표의 값보다 높거나 낮을 수 있습니다. 실제 시스템에서는 측정한 패키지 상면 온도 Tt로부터 Tj = Tt + P × ψJT로 Tj를 추정하는 경우가 많습니다. 모든 열이 상면으로 빠져나가는 것은 아니므로 ψJT는 열저항이 아니라 열 특성 파라미터라고 부릅니다.
방열판의 열 경로와 계면 재료
방열판을 달면 열은 주로 접합부에서 케이스로, 케이스에서 방열판으로, 방열판에서 주위로 흐르므로 합계는 θJC + θCS + θSA입니다. θJC는 패키지 내부의 값으로 데이터시트에 나와 있습니다. θCS는 케이스와 방열판 사이의 접촉 부분으로, 거친 표면 사이의 미세한 공기 틈이 열을 막기 때문에 서멀 그리스나 서멀 패드 같은 열 계면 재료(TIM)로 메웁니다. θSA는 방열판의 크기, 핀 형상, 공기 흐름에 따라 달라집니다. 기본값의 합계는 4.5 ℃/W로, 1 W에서 Tj = 29.5 ℃, 최대 전력은 약 22.2 W입니다.
디레이팅과 설계 여유
실리콘 IC와 전력 소자의 Tj(max)는 125 ℃ 또는 150 ℃인 경우가 가장 많으며, 허용 전력은 Pmax = (Tj(max) − Ta) ÷ θ입니다. 주위 온도가 오르면 여유가 줄어들기 때문에 데이터시트에는 주위 온도에 따라 허용 전력을 직선적으로 낮추는 디레이팅 곡선이 실려 있습니다. 예를 들어 θJA = 50 ℃/W, Tj(max) = 125 ℃이면 25 ℃에서는 한계가 2.0 W이지만 85 ℃에서는 0.8 W에 불과합니다. 접합 온도가 높을수록 고장률이 오르고 수명이 짧아지므로, 실제 설계에서는 Tj(max) 바로 근처에서 동작시키지 않고 보통 추가 여유를 둡니다.
C시험용 기판에서 측정한 값이므로, 실제 기판의 동박 면적이나 층수, 바람 유무에 따라 크게 달라진다
정답과 해설 보기
정답: C. 시험용 기판에서 측정한 값이므로, 실제 기판의 동박 면적이나 층수, 바람 유무에 따라 크게 달라진다
θJA는 JEDEC 등의 규격에서 정한 시험용 기판에 IC를 실장하고, 무풍 용기 안에서 측정한 값입니다. 열의 대부분은 패키지에서 단자나 뒷면 패드를 거쳐 기판으로 흐르므로, θJA는 기판에 크게 의존합니다. 같은 패키지라도 1층의 작은 기판과 다층이며 전면 동박 플레인이 많은 기판은 2배 가까이 차이 나기도 합니다. 동박 면적을 넓히거나 바람을 쐬면 θJA는 작아집니다(방열이 쉬워집니다). 데이터시트의 값은 비교를 위한 기준으로 생각하고, 실제 기기에서는 온도를 측정하여 확인합니다.
접합 온도는 Tj = Ta + P × θJA로 구할 수 있습니다. 이것을 P에 대해 풀면 P = (Tj(max) − Ta)/θJA = (125 − 85)/50 = 0.8 W입니다. 주위 온도가 높을수록 허용되는 온도 상승 폭이 작아지므로 허용 전력도 작아집니다. 2.5 W는 주위 온도를 빼는 것을 잊고 125/50으로 계산한 오류, 1.7 W는 85/50으로 계산한 오류입니다. 실제로는 θJA가 기판에 따라 달라지는 점과 디레이팅 여유를 고려하여, 계산값보다 적은 전력으로 억제해 설계합니다.
θJC는 접합에서 패키지 방열면(케이스)까지의 열저항으로, 케이스를 일정 온도로 유지한 상태에서 측정합니다. 히트싱크를 부착하면 열의 대부분은 케이스에서 히트싱크로 흐르므로, θJC, 실리콘 그리스 등의 접촉 열저항 θCS, 히트싱크의 열저항 θSA를 직렬로 더해 생각합니다. 예를 들어 1.0 + 0.5 + 3.0 = 4.5 ℃/W이고, 10 W의 손실이라면 온도 상승은 45 ℃입니다. θJA는 히트싱크 없이 시험용 기판에 실장하여 측정한 값이므로, 이 경우에는 사용할 수 없습니다.
실리콘 파워 디바이스에서는 최대 접합 온도가 150 ℃나 175 ℃로 정해진 것이 일반적입니다. 이를 넘으면 누설 전류가 급증하여 열폭주하기 쉽고 수명도 크게 줄어듭니다. 설계에서는 최댓값에 대해 여유(예를 들어 125 ℃ 정도로 운용)를 둡니다. SiC는 재료로서는 300 ℃ 이상도 견디지만, 솔더, 와이어, 수지 등 패키지 재료의 내열성이 실용상의 제약이 됩니다.
자주 묻는 질문
θJA와 θJC는 각각 언제 사용합니까?
θJA는 방열판 없이 기판과 주변 공기로 냉각될 때의 접합-주위 열저항입니다. θJC는 접합-케이스 열저항으로, 방열판을 달 때 θCS 및 θSA와 더해서 사용합니다. 방열판 설계에서 θJA에 θSA를 더하는 것은 잘못입니다.
Tj(max) = 125 ℃, θJA = 50 ℃/W, Ta = 85 ℃일 때 허용 전력은 얼마입니까?
Pmax = (125 − 85) ÷ 50 = 0.8 W입니다. 주위 온도가 25 ℃라면 한계는 (125 − 25) ÷ 50 = 2.0 W이므로, 환경이 뜨거울수록 허용 전력이 줄어듭니다.
데이터시트의 θJA가 제 기판과 맞지 않는 이유는 무엇입니까?
θJA는 JEDEC 표준 시험 기판과 같은 고정된 조건에서 측정되며, 기판 크기, 구리층 수, 공기 흐름에 따라 크게 달라집니다. 실제 시스템에서는 ψJT를 이용해 측정한 패키지 상면 온도로부터 접합 온도를 추정하는 경우가 많습니다.