基板が過熱する前に接合部温度を予測する方法:熱抵抗ネットワークの説明

熱抵抗ネットワークが重要な理由

すべての半導体には最大接合温度があります。それを超えると、性能の低下、寿命の短縮、または完全な故障が発生します。データシートには「MATHINLINE_11」（通常は125°Cまたは150°C）と記載されていますが、実際の問題は次のとおりです。*システム内の接合温度は実際にはどのくらいになるのでしょうか？*

そこで、熱抵抗ネットワークの出番です。電力損失と一連の熱抵抗から接合部温度を予測できるのは電気的アナロジーモデルです。オームの法則と同じですが、熱についてです。直感的にヒートシンクを選び、最善の結果を期待したことがあるなら、このアプローチは希望を数学に置き換えます。

熱抵抗チェーン

熱は半導体接合部から一連の熱抵抗を通って周囲環境に流れます。標準モデルではこれを次の 3 つのセグメントに分けます。

「MATHBLOCK_0」

どこ:

-「MATHINLINE_12」はデバイス内で消費される電力 (ワット) -「MATHINLINE_13」は接合部とケース間の熱抵抗 (°C/W) で、パッケージとダイアタッチによって設定されます -「MATHINLINE_14」はケースからヒートシンクまでの熱抵抗 (°C/W) で、サーマル・インターフェース・マテリアル (TIM) によって決まります。 -「MATHINLINE_15」は、ヒートシンクとエアフローの特性であるヒートシンクと周囲温度に対する熱抵抗（°C/W）です。 -「マチンライン_16」は周囲温度 (°C)

接合部から周囲への抵抗の合計は、単純に次の合計です。

「マスブロック_1」

これは直列ネットワークで、熱の経路は1つだけです。各抵抗は、直列抵抗の電圧降下とまったく同じように、その抵抗を流れる電力に比例して温度降下を起こします。

中間温度

ネットワークモデルの利点は、ジャンクションだけでなく、すべてのインターフェイスで温度を計算できることです。周囲環境からジャンクションに向かって作業する場合:

「MATHBLOCK_2」 「マスブロック_3」 「マスブロック_4」

これは検証時に非常に役立ちます。ヒートシンクやケースに熱電対を取り付けて、現実がモデルに合っているかどうかを確認できます。「MATHINLINE_17」が予測よりも高い場合は、ヒートシンクのパフォーマンスが低下しています (空気の流れが遮断されている可能性があります)。「MATHINLINE_18」が「MATHINLINE_19」と比較して予想よりも高い場合は、サーマルインターフェースに問題があります。

実際の例:10W 電圧レギュレータ

例えば、TO-220パッケージで消費電力が10WのLDOを備えた電源を設計しているとしましょう。選択したヒートシンクが、最悪の場合の周囲温度が 70°C でも、接合部が 150°C 未満に保たれるかどうかを判断する必要があります。

与えられた値: -「マチンライン_20」 -「MATHINLINE_21」(データシートより) -「MATHINLINE_22」(マウントクリップ付きサーマルパッド) -「MATHINLINE_23」(押し出し成形アルミニウムヒートシンク、自然対流) -「マチンライン_24」 計算:

「マスブロック_5」

「マスブロック_6」 「マスブロック_7」 「マスブロック_8」

150°Cまでのサーマルマージン:

「マスブロック_9」

つまり、接合部は130°Cに達します。技術的には仕様の範囲内ですが、マージンはわずか20°Cです。これは、TIM アプリケーション、ヒートシンクの取り付けトルク、および局所的なエアフローがユニットごとにばらつきが見られるような量産設計では不快に感じられます。実際には、少なくとも20～30°Cのマージンが欲しいので、この設計は限界です。

ここで、同じ設計を周囲温度25°Cで試してみてください (ベンチテスト)。

「マスブロック_10」

ベンチ上では完全に快適に見えます。だからこそ、常に最悪の環境条件で分析しなければならないのです。25°Cで涼しく感じられる設計でも、70°Cでは故障の危機に瀕する可能性があります。

よくある落とし穴

「MATHINLINE_25」を無視する: エンジニアはしばしば「MATHINLINE_26」から「MATHINLINE_27」にジャンプして、インターフェースの抵抗を忘れてしまいます。TO-220とヒートシンクのドライコンタクトは1.0～2.0°C/Wですが、サーマルグリースを使うと0.3～0.5°C/Wまで下がります。10Wでは、接合部で5～15°Cの差になります。 データシートの「MATHINLINE_28」を使用: データシートの「MATHINLINE_29」の値は、標準化されたテストボード (通常はJEDEC) で測定されています。PCB、エンクロージャー、またはエアフローを「表すものではありません」。常に個々の抵抗からネットワークを構築してください。 ディレーティングを忘れる: 多くのメーカーが「MATHINLINE_30」で信頼性を指定していますが、寿命は温度とともに指数関数的に低下します。アレニウスのモデルでは、10℃上昇するごとにコンポーネントの寿命が約半分になることが示唆されています。110°Cではなく130°Cで稼働させると、信頼性に大きな影響が及びます。

適切な「MATHINLINE_31」の選択方法

通常、ヒートシンクの周囲抵抗が主流であり、最も制御できる用語です。参考までに、代表的な値をいくつかご紹介します。

熱マージンが不十分な場合は、通常、より大きなヒートシンクを選択するか、エアフローを追加して「MATHINLINE_33」を減らすのが最も実用的な方法です。

この計算機をいつ使うべきか

この分析は、消費電力が 1 ～ 2 ワットを超える場合や、周囲温度が 40°C を超える場合はいつでも実行してください。具体的なシナリオには次のようなものがあります。

-リニアレギュレータ、MOSFET、またはパワーアンプ用のヒートシンクの選択 -複数の周囲温度仕様 (25°C、40°C、70°C、85°C) にわたるサーマルマージンの検証 -コンポーネントが過熱しているボードのトラブルシューティング -サーマル・インターフェース・マテリアルの比較 -設計レビューのための熱解析の文書化

この計算ツールを使うと、室内（25°C）、暖かい（40°C）、高温（40°C）、高温（70°C）、最大仕様（85°C）といった標準条件で周囲温度を一掃できるため、全体像を数秒で確認できます。

試してみてください

デバイスの熱抵抗と電力損失をプラグインすれば、さまざまな環境条件における接合部、ケース、ヒートシンクの温度を瞬時に確認できます。スプレッドシートをいじくり回す必要はもうありません。[熱抵抗ネットワーク計算ツールを開いて] (https://rftools.io/calculators/thermal/thermal-resistance-network/)、ボードを回転させる前に、熱設計に必要なマージンがあることを確認してください。