ICの過熱:接合部温度計算ガイド

# #直接測定できない温度

すべての半導体の最大接合温度は、ほとんどの部品で通常125°Cまたは150°C、車載グレードのシリコンでは175°Cです。それを超えると、経年劣化の加速、パラメトリックドリフト、または完全な故障が発生します。問題は？熱電対をダイスに貼り付けることはできません。接合部はパッケージの下に埋もれてしまい、測定できるケースの温度は常に内部の温度よりも低くなります。

そこで計算します。そして、正しく理解したほうがいいでしょう。なぜなら、熱設計は、20°Cの誤差があると、10年間稼働する製品と6か月で寿命が尽きる製品の違いにつながる可能性がある領域の1つだからです。

熱抵抗チェーン

熱は一連の熱抵抗を通って接合部から周囲に流れ、その合計は直列の電気抵抗とまったく同じです。接合部から周囲温度までの熱抵抗の合計は、次のようになります。

ここで、$\theta_{JC}$は接合部対ケースで、$\theta_{CS}$はケースとヒートシンク (インタフェース)、$\theta_{SA}$はヒートシンクと周囲との接続です。これらにはそれぞれ実際の物理的意味があります。

ジャンクション・トゥ・ケース ($\theta_{JC}$) : これはパッケージ設計とダイアタッチによって決まります。これはデータシートから入手したもので、どうしようもありません。小さなQFNは2〜5°C/W、昔ながらのTO-220は通常0.5〜1.5°C/Wですが、ここではパッケージが非常に重要です。 ケースからヒートシンクまで ($\theta_{CS}$) : これはインターフェースの熱抵抗、つまりパッケージと実装先とのギャップです。ドライコンタクトはひどいもので、TO-220では約1.0°C/Wです。サーマルペーストは約0.5°C/Wまで下がります。サーマルパッドは便利ですが、ペーストよりも少し劣ります。良質のパッドは約0.3°C/Wです。銅面に直接はんだ付けして取り付けると、0.1°C/W以下まで下がります。 ヒートシンクと周囲との差 ($\theta_{SA}$) : ヒートシンクのサイズ、フィンの形状、およびエアフローによって異なります。TO-220が静止空気中に立っていると、50°C/Wになる場合があります。小さなクリップオンヒートシンクを追加すると、20°C/Wになります。適切なフィン付きヒートシンクを使用すると、5〜10°C/Wになります。空気をいくらか押し込むと、2°C/W以下になることがあります。

合計が$\theta_{JA}$になったら、接合部温度は単純に次のようになります。

それだけです。電力損失に熱抵抗を掛けると、周囲温度よりも温度が上昇します。

実例:産業用エンクロージャ内のLDOレギュレータ

例えば、200mAで12Vから5Vに低下するリニアレギュレータを設計しているとしましょう。電力損失は単純明快です。

これは小型のSOT-223パッケージにしては相当な量です。データシートには$\theta_{JC}$= 15°C/W (このパッケージスタイルの標準) と書かれています。そこそこの銅を流し込んだPCBにはんだ付けしているので、$\theta_{CS}$= 0.3°C/Wとします。PCB自体がヒートシンクの役割を果たし、外部ヒートシンクではありません。したがって、適切なグランドプレーンがあれば、$\theta_{SA}$はおそらく25°C/Wです。

総熱抵抗:

これは産業用アプリケーションであるため、エンクロージャ内の周囲温度が40°Cに達する可能性があります。接合部温度:

部品の定格温度が最大125°Cの場合、熱マージンは125～96.4 = 28.6°Cですが、これは問題ないようですが、実際はごくわずかです。周囲温度は公称値よりも急上昇する可能性があり、入力電圧が上昇すると電力損失も増加し、データシートの熱抵抗値は楽観的です。耐久性が求められる製品には、少なくとも30〜40°Cのマージンが欲しいと思います。

ジャンクション温度計算ツールを開いて、これらの数値を直接入力することもできます。ケースとヒートシンクの表面の中間温度も得られるので、検証に役立ちます。熱電対でケース温度を測定できれば、熱モデルの健全性をチェックできます。

ヒートシンクを追加したらどうなるでしょうか？

同じシナリオですが、今度は$\theta_{SA}$= 10°C/Wの小さなアルミニウム製ヒートシンクをボルトで固定し、インターフェースにはサーマルペーストを使用します（$\theta_{CS}$= 0.5°C/W）。

熱マージンが50℃近くまで上がり、ずっと良くなっています。ヒートシンクの価格はおそらく0.30ドルで、保証の返品に何千ドルもかかるような現場での故障率を回避できます。

データシート$\theta_{JA}$が通常役に立たない理由

ほとんどのデータシートには$\theta_{JA}$の値が記載されており、ほとんどのエンジニアはそれを直接使用しています。これは間違いです。

この数値は、JEDEC 規格のテストボードから得られたものです。通常は、特定の銅領域を持つ4層基板を、制御された環境下で静止空気中でテストしたものです。実際のボードでは、銅線被覆率や層構成が異なり、エアフローも異なり、近くに熱を加える部品がそれぞれ異なっている可能性があります。データシート$\theta_{JA}$は40°C/Wですが、実際の値は、レイアウトによっては60°C/Wまたは30°C/Wになることもあります。

ジャンクション・トゥ・ケースの値（$\theta_{JC}$）は、PCBではなくパッケージ自体の特性であるため、はるかに信頼性が高くなります。本格的な熱設計を行う場合は、$\theta_{JC}$から構築し、実際の実装状況に基づいてチェーンの残りの部分を見積もってください。

よくある間違いと落とし穴

周囲温度が室温ではないことを忘れる

「周囲温度」とは、室温ではなく、コンポーネントのすぐ隣の空気温度を指します。他の熱源があるエンクロージャーの内部では、周囲温度が外気よりも15〜20°C高くなることがあります。エンジニアが、密閉された箱に収められ、隣に 10W のプロセッサが置かれたシステムの周囲温度を 25 °C で計算するのを見たことがあります。レギュレータ付近の実際の周囲温度は 55°C に近かったです。

インターフェースの熱抵抗を無視する

人々はヒートシンクの選択にこだわり、サーマルコンパウンドを使わずにボルトで取り付けます。乾燥した金属同士の接点では1～2℃/Wが上昇する可能性があり、消費電力が10Wの場合、接合部に10～20℃余分にかかることになります。これが安全動作とサーマルシャットダウンの違いです。常にサーマル・インターフェース・マテリアルを使用してください。常に。

定常状態でない場合でも定常状態と仮定する

上の計算は熱平衡、つまりすべてが加熱されて安定していることを前提としています。負荷が脈動している場合や、負荷が大きく変動する場合は、システムの熱質量が問題になります。パッケージに十分な熱容量があれば、短い高出力パルスは接合部をあまり加熱しない可能性があります。逆に、部品は短時間の過負荷に耐えられても、その過負荷が定常状態に達するほど長く続くと故障する可能性があります。計算ツールでは定常状態の結果が得られますが、これは連続動作では最悪ですが、必ずしも過渡的なイベントの場合はそうではありません。

前後関係のないヒートシンク定格の信頼性

定格5°C/Wのヒートシンクは、おそらく理想的な条件でテストされました。フィンを自然対流に向けて垂直に取り付け、静止空気の中で、近くに空気の流れを妨げるものがない状態で、自然対流を想定して垂直に取り付けます。水平に取り付けるか、壁に詰め込むか、窮屈なエンクロージャーに入れると、5°C/Wが8°C/Wまたは10°C/Wになります。強制空気定格は、達成する実際の気流速度にさらに依存します。

余白が足りない

データシートの最大接合温度はまさにその最大値です。$T_{J,max}$で継続的に動作させると、コンポーネントの寿命が劇的に短くなります。アレニウスの式によると、接合部温度が 10 °C 上昇するごとに故障率は約 2 倍になります。105°Cではなく125°Cで実行すると、MTBFが半分に減少する可能性があります。信頼性を重視した設計のほとんどは、定格最大値を 20 ～ 30 °C 下回ることを目標としています。

中間の温度も重要です

計算機はケース温度とヒートシンク温度も出力します。これらは単なる学術的なものではなく、実際に測定できるものです。

ケースの温度によって、パッケージ上の熱電対が何を読むかがわかります。計算したケース温度が 85°C で、測定値が 95 °C の場合、熱モデルがどこかで間違っています。インターフェース抵抗が予想よりも高いか、ヒートシンクが定格通りに動作していない可能性があります。

ヒートシンクの温度は安全コンプライアンスに役立ちます。多くの製品では、触れる表面温度に制限があります。通常、皮膚に継続的に接触する場合は45°Cです。ヒートシンクが露出していて触れる可能性がある場合は、その温度を知っておく必要があります。

自然対流では不十分な場合

計算してみて、制約に合うパッシブ・ヒートシンクがないことに気付くこともあるでしょう。許容上昇温度が 50°C の 20W デバイスの場合、2.5°C/W 未満では$\theta_{JA}$が必要ですが、これは自然対流に対して強烈です。

強制空気はすべてを変えます。1～2 m/sの穏やかな空気流でも、ヒートシンクの熱抵抗を60～ 70% 削減できます。小型のファンを使うと、$\theta_{SA}$が 10°C/W から 2°C/W に下がる場合がありますが、そのトレードオフは、ノイズ、信頼性 (ファンに障害が発生する)、および消費電力です。しかし、それが唯一の選択肢である場合もあります。

試してみてください

熱設計は、プロトタイピング中に手作業で簡単に手を振ることができ、製造時には修正するのが難しいものの1つです。基板レイアウトに取り掛かる前に、接合部温度計算ツールを開く で数値計算を行ってください。周囲温度は、テストする場所ではなく、製品が実際に動作する場所に基づいて選択してください。現実的なインターフェースとヒートシンクの値を使用してください。そして、マージンは残しておきましょう。レギュレーターが焼損した状態で製品が現場から戻ってこなければ、将来の自分もきっと喜ぶでしょう。