IC 과열: 접합 온도 계산 가이드...

직접 측정할 수 없는 온도

모든 반도체의 최대 접합 온도는 대부분의 부품의 경우 일반적으로 125°C 또는 150°C, 자동차용 실리콘의 경우 175°C일 수 있습니다.이를 초과하면 노화가 가속화되거나 파라메트릭 드리프트가 가속화되거나 완전한 고장이 발생할 수 있습니다.문제가 있나요?다이에 써모커플을 붙일 수 없어요.접합부는 포장 아래에 묻혀 있기 때문에 측정할 수 있는 케이스 온도는 항상 내부 온도보다 낮습니다.

그래서 계산해 보죠.열 설계가 20°C의 오차가 발생하면 10년 동안 사용할 수 있는 제품과 6개월 후에 소멸되는 제품 간의 차이가 발생할 수 있는 영역 중 하나이기 때문에 제대로 하는 것이 좋습니다.

열 저항 체인

열은 일련의 열 저항을 통해 접합부에서 주변 환경으로 흐르며, 이 열 저항의 합은 직렬로 연결된 전기 저항과 정확히 같습니다.접합부에서 주변 환경까지의 총 열 저항은 다음과 같습니다.

여기서$\theta_{JC}$은 케이스 간 접합,$\theta_{CS}$은 케이스 대 히트싱크 (인터페이스),$\theta_{SA}$은 히트싱크-앰비언트 접합입니다.이들 각각은 실제 물리적인 의미를 지닙니다.

케이스 간 접합 ($\theta_{JC}$) : 이는 패키지 설계 및 다이 부착에 의해 설정됩니다.데이터시트에서 구할 수 있으며, 할 수 있는 일은 없습니다.소형 QFN은 2-5°C/W인 반면 구식 TO-220 QFN은 일반적으로 0.5-1.5°C/W입니다. 여기서 패키지는 매우 중요합니다. 케이스-방열판 ($\theta_{CS}$) : 이것은 인터페이스 열 저항으로 패키지와 패키지를 장착하려는 대상 제품 사이의 간격입니다.건식 접촉은 심각합니다. TO-220 기준 섭씨 1.0°C/W 정도입니다.열 페이스트는 약 0.5°C/W까지 떨어집니다. 열 패드는 편리하지만 페이스트보다 약간 나쁩니다. 좋은 제품의 경우 약 0.3°C/W 정도입니다.구리 평면에 솔더를 직접 장착하면 0.1°C/W 이하로 내려갈 수 있습니다. 히트싱크와 주변 온도 ($\theta_{SA}$) : 히트싱크 크기, 핀 구조 및 공기 흐름에 따라 다릅니다.고요한 공기 중에 서 있는 TO-220 베어는 50°C/W일 수 있습니다. 작은 클립식 방열판을 추가하면 20°C/W가 됩니다. 적절한 핀이 달린 방열판을 사용하면 5-10°C/W가 됩니다. 그 위에 공기를 강제로 대면 2°C/W 이하로 올라갈 수 있습니다.

총$\theta_{JA}$값을 계산하면 접합 온도는 다음과 같이 간단합니다.

그게 전부입니다.전력 손실 시간 열 저항으로 인해 온도가 주변 온도보다 상승합니다.

실제 사례: 산업용 인클로저의 LDO 레귤레이터

200mA에서 12V에서 5V로 떨어지는 선형 레귤레이터로 설계한다고 가정해 보겠습니다.전력 손실은 간단합니다.

작은 SOT-223 패키지치고는 꽤 많은 양입니다.데이터시트에는$\theta_{JC}$= 15°C/W (이 패키지 스타일에서 일반적으로 사용됨) 라고 적혀 있습니다.구리 주입량이 적절한 PCB에 납땜하는 것이므로$\theta_{CS}$= 0.3°C/W라고 합시다. 외부 방열판 없이 PCB 자체가 히트싱크 역할을 하므로 적절한 접지면이 있는 경우$\theta_{SA}$은 25°C/W일 수 있습니다.

총 열 저항:

산업용 애플리케이션이므로 인클로저 내부의 주변 온도가 40°C에 도달할 수 있습니다.접합 온도:

부품의 최대 온도 등급이 125°C인 경우 열 마진은 125 - 96.4 = 28.6°C입니다. 괜찮은 것 같지만 실제로는 미미합니다.주변 온도는 공칭 전압보다 더 높아질 수 있고, 입력 전압이 상승하면 전력 손실도 증가하며, 데이터시트의 열 저항 수치는 낙관적입니다.오래 사용할 수 있어야 하는 제품의 경우 최소 30~40°C의 마진이 필요합니다.

접합 온도 계산기 를 열고 이 수치를 직접 입력할 수 있습니다.케이스 및 히트싱크 표면의 중간 온도도 확인할 수 있어 검증에 유용합니다.열전쌍으로 케이스 온도를 측정할 수 있다면 열 모델의 위생 상태를 점검할 수 있습니다.

히트싱크를 추가하면 어떻게 되나요?

같은 시나리오이지만, 이제$\theta_{SA}$= 10°C/W의 소형 알루미늄 히트싱크에 볼트로 고정하고 인터페이스에 써멀 페이스트를 사용합니다 ($\theta_{CS}$= 0.5°C/W).

열 마진은 거의 50°C까지 올라갔고, 훨씬 더 좋아졌습니다.히트싱크의 가격은 약 0.30달러에 달하며 수천 달러의 보증 반품 비용이 드는 현장 고장률을 줄일 수 있습니다.

데이터시트$\theta_{JA}$보통 쓸모가 없는 이유

대부분의 데이터시트에는$\theta_{JA}$값이 나열되어 있으며 대부분의 엔지니어는 이 값을 직접 사용합니다.이는 실수입니다.

이 수치는 JEDEC 표준 테스트 보드에서 나온 것입니다. 일반적으로 특정 구리 영역이 있는 4층 PCB로, 통제된 환경에서 정지 공기에서 테스트됩니다.실제 보드에는 구리 커버리지, 레이어 적층, 공기 흐름 및 열을 추가하는 주변 구성 요소가 다를 수 있습니다.데이터시트$\theta_{JA}$은 40°C/W일 수 있지만 레이아웃에 따라 실제 값은 60°C/W 또는 30°C/W가 될 수 있습니다.

접합 대 케이스 값 ($\theta_{JC}$) 은 PCB가 아니라 패키지 자체의 속성이기 때문에 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다.심각한 열 설계를 하는 경우$\theta_{JC}$모델부터 조립하고 실제 장착 상황을 기준으로 체인의 나머지 부분을 추정하십시오.

흔히 저지르는 실수와 문제점

주변 온도가 실내 온도가 아니라는 사실을 잊어버리기

“주변”이란 실내 온도가 아니라 부품 바로 옆에 있는 공기 온도를 의미합니다.다른 열원이 있는 인클로저 내부의 주변 온도는 외부 공기보다 15~20°C 높을 수 있습니다.밀폐된 상자 안에 10W 프로세서가 옆에 있는 시스템의 경우 엔지니어들이 주변 온도 25°C를 사용하여 접합 온도를 계산하는 것을 본 적이 있습니다.레귤레이터 근처의 실제 주변 온도는 55°C에 가까웠습니다.

인터페이스 열 저항 무시

사람들은 히트싱크 선택에 집착하다가 써멀 컴파운드 없이 볼트로 고정합니다.금속과 금속이 접촉하면 1-2°C/W가 증가할 수 있는데, 10W의 손실량에서는 접합부에 10~20°C의 온도가 더 올라갈 수 있습니다.이것이 바로 안전한 작동과 과열 시 셧다운의 차이점입니다.항상 감열재를 사용하십시오.항상 그래요.

정상 상태가 아닐 때 정상 상태로 가정하기

위의 계산에서는 모든 것이 가열되고 안정화된 열 평형을 가정한 것입니다.부하가 펄스화되거나 변동이 심할 경우 시스템의 열 질량이 중요합니다.패키지의 열 커패시턴스가 충분하면 짧은 고전력 펄스로도 접합부가 많이 가열되지 않을 수 있습니다.반대로 구성 요소가 잠깐 과부하를 겪어도 정상 상태에 도달할 만큼 과부하가 오래 지속되면 고장날 수 있습니다.계산기는 정상 상태 결과를 제공하는데, 이는 연속 작업의 경우 최악의 경우이지만 일시적인 이벤트의 경우에는 그렇지 않습니다.

컨텍스트 없이 히트싱크 등급을 신뢰할 수 있는 방법

5°C/W 등급의 히트싱크는 아마도 이상적인 조건에서 테스트한 것으로 보입니다. 핀이 자연 대류에 맞도록 핀이 고요한 공기 속에 수직으로 장착되고 근처에 공기 흐름을 차단하는 요소가 전혀 없습니다.수평으로 설치하거나, 벽에 붙이거나, 비좁은 인클로저에 설치하면 5°C/W가 8 또는 10°C/W가 됩니다. 강제 공기 등급은 달성한 실제 공기 흐름 속도에 따라 훨씬 더 많이 달라집니다.

충분한 여유를 남기지 않음

데이터시트의 최대 접합 온도는 정확히 최대값입니다.$T_{J,max}$상태에서 계속 작동하면 부품 수명이 크게 단축됩니다.Arrhenius 방정식에 따르면 접합 온도가 10°C 증가할 때마다 고장률이 약 두 배로 증가합니다.105°C가 아닌 125°C에서 가동하면 MTBF를 절반으로 줄일 수 있습니다.신뢰성을 중시하는 대부분의 설계는 정격 최대값보다 20~30°C 낮은 온도를 목표로 합니다.

중간 온도도 중요합니다

계산기는 케이스 온도와 히트싱크 온도도 출력합니다.이는 단지 학문적인 측면이 아니라 실제로 측정할 수 있는 수치입니다.

케이스 온도는 패키지에 있는 열전대가 무엇을 읽을 수 있는지를 알려줍니다.계산한 케이스 온도가 85°C인데 측정값이 95°C라면 열 모델이 어딘가 잘못된 것입니다.인터페이스 저항이 예상보다 높거나 히트싱크가 정격대로 작동하지 않을 수 있습니다.

히트싱크 온도는 안전 규정 준수에 유용합니다.대부분의 제품은 접촉할 수 있는 표면 온도에 제한이 있습니다. 일반적으로 피부와 지속적으로 접촉하는 온도는 45°C입니다.히트싱크가 노출되어 만질 수 있는 경우 히트싱크의 온도를 알아야 합니다.

자연 대류가 충분하지 않은 경우

때로는 계산을 해본 결과 자신의 제약 조건에 맞는 패시브 히트싱크가 없다는 것을 깨닫게 될 때가 있습니다.허용 온도 상승이 50°C 미만인 20W 장치의 경우 2.5°C/W 미만의$\theta_{JA}$이 필요한데, 이는 자연 대류에 취약합니다.

강제 공기는 모든 것을 변화시킵니다.1~2m/s의 부드러운 공기 흐름으로도 히트싱크 열 저항을 60-70% 줄일 수 있습니다.소형 팬은$\theta_{SA}$온도를 10°C/W에서 2°C/W까지 낮출 수 있지만, 이로 인해 소음, 안정성 (팬 고장) 및 전력 소비가 단점입니다.하지만 때로는 이 옵션만 적합할 수도 있습니다.

시도해 보세요

열 설계는 프로토타이핑 중에 손으로 흔들어붙이기 쉽고 생산 단계에서 수정하기가 어려운 요소 중 하나입니다.보드 레이아웃을 설정하기 전에 접합 온도 계산기 를 열고 수치를 계산해 보세요.주변 온도는 테스트 장소가 아니라 제품이 실제로 작동하는 위치를 기준으로 선택하십시오.사실적인 인터페이스와 히트싱크 값을 사용하세요.그리고 여유를 두세요. 레귤레이터가 소손된 상태로 현장에서 제품이 돌아오지 않을 때 미래의 자신도 고마워할 것입니다.