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Thermal

ジャンクション温度計算ツール

電力損失と熱抵抗チェーン (θ JC + θ CS + θ SA) から半導体接合部温度を計算します。トランジスタ、MOSFET、および IC の熱設計に不可欠です。

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公式

TJ=TA+PD⋅(θJC+θCS+θSA)T_J = T_A + P_D \cdot (\theta_{JC} + \theta_{CS} + \theta_{SA})
T_J— ジャンクション温度 (°C)
T_A— 周囲温度 (°C)
P_D— 電力損失 (W)
θ_JC— 接合部とケース間の熱抵抗 (°C/W)
θ_CS— ケースからヒートシンクまでの熱抵抗 (°C/W)
θ_SA— ヒートシンクと周囲の熱抵抗 (°C/W)

仕組み

ジャンクション温度計算機は、信頼性解析、[heatsinkselection](/calculators/thermal/heatsink-selection/)、およびディレーティング計算に不可欠な電力損失と熱抵抗経路から半導体ダイ温度を計算します。パワーエレクトロニクスのエンジニア、熱設計者、信頼性エンジニアは、これを利用してデバイスの寿命を予測し、熱による故障を防ぎます。JEDEC JESD51-1によると、接合温度Tj = Ta+Pd × (θJC + θCS + θSA), ここで、 θJC はジャンクション・トゥ・ケース（パワー・パッケージの場合は0.5〜5°C/W）、 θCS はケース・トゥ・シンク（インターフェースにより0.1〜1°C/W）、 θSA はシンクから周囲へ（ヒートシンクの場合は1〜20°C/W）です。Tj (max) を10°C超えると、アレニウスの式によるデバイスの寿命は半分になり、Tj (最大) -25°Cで動作すると寿命が2倍になります。TO-220パッケージは θJC = 1-2°C/W、 D²PAK は θJC = 0.5-1°C/W、QFNパッケージは露出パッド面積に応じて θJC = 2-10°C/Wです。

計算例

TO-220パッケージのデューティサイクルが 50% の12VでのIRFZ44N MOSFETスイッチング10Aのジャンクション温度を計算します。データシートより:Rds (on) = 22mΩ at Tj = 25°C、 θJC = 1°C/W、Tj (最大) = 175°C。伝導損失: P_cond = I² × Rds (オン) × D = 10² × 0.022 × 0.5 = 1.1W。100kHzでのスイッチング損失: P_sw ≈ 0.5W (Qg × Vds × fから推定)。合計Pd = 1.6W。TO-220クリップオン ヒートシンク (θSA = 12°C/W) とサーマルペースト ( (θCS = 0.5°C/W) の場合:Tj = 40°C + 1.6W × (1 + 0.5+ 12) = 40°C+ 21.6°C = 61.6°C。これはTj (最大) を113°C下回っており、優れた信頼性マージンが得られます。注:Tj = 100°C で Rds (on) は 1.5 倍に増加します。正確な結果を得るには、繰り返し再計算してください。

実践的なヒント

  • ✓10年間の信頼性を実現するには、設計目標としてTj (max)-25°Cを使用します。JEDEC JEP122Hによると、Tj (最大) での動作時と比較してライフタイムマージンが2倍になります
  • ✓サーマル・インターフェース・マテリアル:シリコーングリース (0.1°C/W)、サーマルパッド (0.3-1°C/W)、相変化材料 (0.05°C/W) — アセンブリ要件に基づいて選択
  • ✓ヒートシンクのないSMDパッケージには、データシートの θJA が適用されます。標準値：SOT-23 = 250°C/W、SOIC-8 = 125°C/W、QFN-16 = 40°C/W、露出パッドをはんだ付けした状態

よくある間違い

  • ✗θJC + θCS + θSA — θJA の代わりに θJA を使用すると、ヒートシンクがなく、空気が静止していると仮定します。ヒートシンクを使用した実際の熱経路は、抵抗がはるかに低くなります
  • ✗θCS (界面抵抗) を無視すると、ドライコンタクトは0.5-1°C/W、サーマルペーストは0.1-0.2°C/Wに低下します。これを省略すると、Tjが5〜15°C過小評価されます
  • ✗Rds (on) の温度依存性を忘れる — MOSFETの温度係数は正 (Tj (max) で25℃で1.5～2倍)、精度を確保するためには反復計算が必要

よくある質問

即時の影響：リーク電流の増加（10°Cあたり2倍）、ブレークダウン電圧の低下、熱暴走の可能性。長期：エレクトロマイグレーションの加速、ゲート酸化物の劣化、はんだ接合部の疲労。MIL-HDBK-217Fによると、定格温度を10～15℃上回るごとに故障率は2倍になります。Tj (最大) を 50 °C 超えると、すぐに破壊が発生する可能性があります。
ヒートシンクの改良：表面積が大きくなった（面積の10倍 = 3倍低く θSA), フィンを追加、強制空気 (θSA で1〜3 m/sの空気流で3〜10倍削減）。インターフェースの改良:サーマルグリース ( (θCS = 0.1°C/W) とドライコンタクト (0.5°C/W) の違い。パッケージ選択:パッドが露出しているパッケージ (QFN、 D²PAK) は、リード付きパッケージ (SOIC、TO-92) よりも θJC が5～10倍低くなっています。
θJC (ジャンクション・トゥ・ケース) は、パッケージ表面への熱抵抗を測定します。これはパッケージ設計により固定されています (TO-220:1°C/W、 D²PAK: 0.5°C/W)。 θJA (接合部から周囲へ) には空気への経路全体が含まれますが、PCB、エアフロー、ヒートシンクによって異なります。ヒートシンクの計算には、 θJC + θCS + θSA. θJA を使用するのがヒートシンクのない小信号ICにのみ役立ちます。
直接的な方法：赤外線サーモグラフィー（±2°Cの精度）、ケース付きの熱電対（Tjを求めるには θJC × Pdを加えてください）。間接方式：VbeまたはVds (on) センシング (校正済みサーマルダイオード、±3°C)、内蔵温度センサー (多くのパワーICにこれが含まれています)。JEDEC JESD51-14によると、過渡熱測定によって正確な θJC の特性評価が可能になります。

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