열 저항을 이용한 접합 온도 예측

실제로 열 흐름을 모델링해야 하는 이유

보드에 떨어뜨리는 모든 반도체의 최대 접합 온도 사양은 대부분 125°C 또는 150°C입니다.이 선을 넘으면 부하 상태에서의 불안정한 동작만 볼 수 있는 것은 아닙니다.노화가 가속화되거나, 간헐적으로 장애가 발생하거나, 정말로 밀어붙이면 완전히 무너질 수도 있습니다.데이터시트에는$T_{J(max)}$한계치가 명시되어 있지만, 이 숫자만으로는 회로가 핫 인클로저에서 최대 전력으로 작동할 때 실제로 접합 부딪히는 양을 알 수 없습니다.

바로 이 때문에 열 저항 네트워크가 비용을 절감할 수 있습니다.열에 대한 옴의 법칙이라고 생각하시면 됩니다. 전력 손실은 일련의 저항을 통해 열 에너지의 “전류”를 흐르게 하고, 각 저항은 온도 상승을 일으킵니다.카탈로그를 보고 손가락을 꼬아서 히트싱크를 골랐다면, 그 추측은 실제 수치로 대체할 수 있습니다.대부분의 엔지니어는 초기 설계 중에는 이 단계를 건너뛰고 나중에 열 챔버 테스트 중에 프로토타입 보드가 저절로 작동하기 시작하면 후회합니다.

열 저항 체인의 작동 원리

반도체 접합부에서 발생하는 열은 마법처럼 사라지지 않습니다.이는 다이 어태치트, 패키지, 열 인터페이스 재료, 방열판 등 일련의 물리적 인터페이스를 통해 흐르다가 결국 주변 공기로 소산됩니다.우리는 이것을 일련의 열 저항으로 모델링합니다. DC 회로 분석을 해본 적이 있다면 수학이 아주 익숙해 보입니다.

각 용어 분류:

-$P_D$는 기기에서 소모하는 전력 (와트) 입니다.선형 레귤레이터의 경우$(V_{in} - V_{out}) \times I_{load}$입니다.포화도가 높은 MOSFET의 경우$I_D^2 \times R_{DS(on)}$값입니다. -$\theta_{JC}$은 접합부 간 열 저항 (°C/W) 입니다.이는 다이 어태치 소재, 리드프레임 또는 기판, 몰딩 컴파운드 등 패키지 설계에 반영됩니다.변경할 수는 없습니다. 데이터시트에서 찾아보면 됩니다. -$\theta_{CS}$은 케이스-히트싱크 열 저항 (°C/W) 입니다.열 인터페이스 소재가 있는 곳입니다. 열 그리스, 열 패드 또는 가격이 저렴한 경우에는 금속과 금속의 접촉부를 건조시키십시오 (이렇게 하지 마십시오). -$\theta_{SA}$은 히트싱크-주변 온도 저항 (°C/W) 입니다.이는 히트싱크 형상, 표면적, 핀 간격에 따라 달라지며, 가장 중요한 것은 강제 공기 흐름인지 자연 대류인지에 따라 달라집니다. -$T_A$은 주변 온도입니다.벤치에서 편안하게 앉을 수 있는 25°C가 아니라 최악의 경우에 대비한 사양을 사용하세요.

열 경로가 하나뿐이므로 접합부에서 주변 환경까지의 총 열 저항은 합계에 불과합니다.

각 저항은 저항을 통해 흐르는 전력에 비례하여 온도 강하를 생성합니다.접합부가 주변 환경에 비해 더 뜨거워야 할수록 더 많은 전력을 소비하거나 열 경로가 더 나빠집니다.보통은 둘 다입니다.

모든 인터페이스의 온도 계산

이 모델의 정말 유용한 측면 중 하나는 접합 온도만 예측할 수 있다는 것입니다.체인의 모든 물리적 인터페이스에서 온도를 계산할 수 있습니다.주위에서 출발해 주사위를 향해 돌아가는 과정:

이는 검증 과정에서 매우 유용해집니다.히트싱크에 써모커플을 부착하고 회로가 작동하는 동안$T_{HS}$을 측정하십시오.측정된 온도가 예상 온도보다 높으면 히트싱크 성능에 문제가 있는 것입니다. 생각했던 공기 흐름이 없거나 마운팅이 제대로 접촉하지 않는 것일 수 있습니다.$T_C$이$T_{HS}$대비 예상보다 뜨거우면 열 인터페이스에 문제가 있는 것입니다.열 그리스가 고르게 도포되지 않았거나 장착 토크가 너무 낮아 에어 갭이 생겼을 수 있습니다.

열 경로의 어느 단계가 성능이 떨어지는지 찾아낼 수 있기 때문에 “왜 이게 뜨거워?” 라는 답답한 추측을 하지 않아도 됩니다.

실제 사례: 10W LDO가 녹지 않도록 유지

현실적인 시나리오를 살펴보겠습니다.전원 공급 장치를 설계하고 있는데 TO-220 패키지에 10W를 소비하는 선형 레귤레이터가 있습니다.이는 단일 장치로는 열이 많이 나는 셈입니다. 히트싱크 없이는 절대 벗어날 수 없습니다.선택한 히트싱크가 최악의 경우 주변 온도인 70°C에서 접합부를 최대 150°C 미만으로 유지하는지 확인하는 것이 중요합니다.

주어진 값: -$P_D = 10\,\text{W}$-$\theta_{JC} = 1.5\,\text{°C/W}$(LDO 데이터시트에서 바로 발췌) -$\theta_{CS} = 0.5\,\text{°C/W}$(써멀 패드와 적절한 마운팅 하드웨어를 사용하고 있음) -$\theta_{SA} = 4.0\,\text{°C/W}$(중형 압출 알루미늄 히트싱크, 자연 대류) -$T_A = 70\,\text{°C}$단계별 계산:

먼저 총 열 저항을 구하십시오.

이제 주변 방향에서 접합부 방향으로 작업하면서 각 인터페이스의 온도를 계산해 보겠습니다.히트싱크 자체가 110°C로 유지되고 있는데, 너무 뜨거워서 만지고 싶지 않을 정도입니다.케이스 (TO-220 금속 탭) 의 온도는 115°C로, 열 인터페이스가 제 역할을 하기 때문에 히트싱크보다 5°C 더 뜨겁습니다.접합부의 온도는 130°C입니다. 엄밀히 따지면 최고 등급인 150°C 이내이지만, 마진을 살펴보겠습니다.20°C의 헤드룸이 있습니다.서류상으로는 이미 지나간 일이지요.사실 프로덕션 디자인으로는 불편할 정도로 빡빡합니다.열 그리스가 얼마나 잘 도포되는지는 장치마다 차이가 있을 것입니다.히트싱크 마운팅에서 허용 오차를 누적할 수 있습니다.인클로저 내부의 공기 흐름이 완벽하게 균일하지 않을 수 있습니다.어떤 요인도 20°C 마진을 떨어뜨릴 수 있는데 갑자기 사양의 최하위권으로 운영하게 됩니다.

대량 출하하고 현장에서 수년간 생존해야 하는 설계의 경우 최소 25~30°C의 마진이 필요합니다.이 디자인은 경계선입니다. 효과가 있을 수도 있지만 필요 이상으로 많은 위험을 감수하고 있는 셈입니다.

다른 함정은 다음과 같습니다. 이 회로를 조립하고 주변 25°C의 벤치에서 테스트할 경우 접합 온도는 다음과 같습니다.

실온에서는 모든 것이 괜찮게 느껴집니다.히트싱크는 따뜻하지만 걱정할 정도는 아닙니다.주변 온도가 70°C인 상태에서 과열 시 전원 차단 기능이 제대로 작동하지 않을 거라고는 짐작할 수 없을 것입니다.이것이 바로 실험실에서 편한 상황뿐만 아니라 항상 최악의 상황에서 수치를 측정해야 하는 이유입니다.

엔지니어가 계속 저지르는 실수

케이스와 히트싱크 간의 저항을 잊어버렸어요: 저는 이런 현상을 계속 보게 됩니다.사람들은 데이터시트에서$\theta_{JC}$명령을 가져와서$\theta_{SA}$이라고 알려진 히트싱크를 선택하고$\theta_{CS}$은 완전히 무시합니다.TO-220 탭과 알루미늄 히트싱크 사이의 금속 간 접촉은 표면이 거칠고 미세한 에어 갭 때문에 쉽게 1.0—2.0°C/W가 될 수 있습니다.써멀 그리스를 얇게 바르고 0.3—0.5°C/W로 떨어뜨립니다. 10W 손실량에서는 접합부에서 이 차이가 5~15°C입니다.이것이 바로 제대로 작동하는 설계와 그렇지 않은 설계의 차이입니다. 데이터시트$\theta_{JA}$값 신뢰: 많은 데이터시트에는 접합부와 주변 온도 저항이 나열되어 있으므로 이 수치만 사용하고 싶을 것입니다.그러지 마세요.$\theta_{JA}$은 표준화된 테스트 보드 (일반적으로 정의된 구리 영역 및 레이어 스택이 있는 JEDEC 지정 PCB) 에서 측정되었습니다.실제 보드, 인클로저, 마운팅 또는 공기 흐름과는 아무런 관련이 없습니다.의미 있는 예측을 할 수 있는 유일한 방법은 특정 하드웨어에 기반한 개별 저항으로부터 열 네트워크를 구축하는 것입니다. 신뢰성을 위한 열 경감 무시: 물론, 데이터시트에는$T_{J(max)} = 150\,\text{°C}$라고 적혀 있고 계산에는 145°C로 나와 있으므로 사양 범위 내에 있습니다.기술적으로는 정확합니다.하지만 부품 수명은 온도에 따라 기하급수적으로 떨어집니다. Arrhenius 방정식에 따르면 접합 온도가 10°C 증가할 때마다 예상 수명이 절반으로 줄어듭니다.110°C가 아닌 130°C에서 가동한다는 것은 현장에서 그렇지 않은 경우보다 몇 년 빨리 고장을 일으킬 수 있다는 뜻입니다.장기적인 신뢰성이 중요하다면 절대 최대 정격보다 훨씬 낮은 접합 온도를 고려하여 설계하십시오.

적합한 히트싱크 선택

히트싱크 대 주변 저항$\theta_{SA}$값은 일반적으로 열 소비 예산에서 가장 큰 수치이며 가장 제어하기 쉬운 수치이기도 합니다.열 마진이 충분하지 않을 경우 여기에서 문제를 해결할 수 있습니다.다음은 일반적인 히트싱크 구성의 몇 가지 일반적인 값입니다.

강제 공기 흐름을 추가하면 극적인 차이를 만들 수 있습니다. 보통 팬이 적당하지 않아도$\theta_{SA}$크기를 절반 이상으로 줄일 수 있습니다.패시브 쿨링의 실용성이 이미 한계에 다다랐다면 소형 팬을 사용하는 것이 필요한 열 마진을 확보하는 가장 비용 효율적인 방법일 수 있습니다.

다른 옵션은 더 커질 뿐입니다.표면적이 넓고 핀 형상이 좋은 히트싱크는 열 저항이 낮습니다.보드 공간과 비용이라는 단점이 있지만, 전력 소모가 심할 경우 점심식사를 공짜로 제공할 수 없습니다.

이 분석을 실제로 해야 하는 경우

단일 구성 요소에서 소비 전력이 2와트 이상인 경우 또는 운영 환경이 편안한 실내 온도 실험실 벤치가 아닌 경우 언제든지 이 계산을 실행할 수 있습니다.이 작업을 반드시 수행해야 하는 특정 사례:

• 선형 레귤레이터, MOSFET 또는 RF 전력 증폭기용 히트싱크 선택
• 설계가 지정된 주변 온도 (25°C, 40°C, 70°C, 85°C 또는 제품 사양에 필요한 모든 것) 의 전체 범위에서 적절한 열 마진을 유지하는지 확인
• 구성 요소가 예상보다 뜨거워지거나 부하가 걸리면 종료되는 프로토타입 디버깅
• 다양한 열 인터페이스 재료를 비교하여 기본 열 패드에서 고성능 그리스로 업그레이드하는 것이 그만한 가치가 있는지 확인
• 설계 검토 또는 규제 제출을 위한 열 분석 문서화

아래 링크된 계산기를 사용하면 여러 주변 온도를 한 번에 확인할 수 있습니다. 실온, 40°C, 70°C 및 최대 사양 한계에서 어떤 일이 발생하는지 한 번에 확인할 수 있습니다.이를 통해 하나의 임의 조건에서만 발생하는 것이 아니라 작동 범위 전체에 걸쳐 어느 정도의 마진이 있는지를 완벽하게 파악할 수 있습니다.

직접 해보기

장치의 열 저항과 전력 손실을 연결하면 여러 주변 조건에서 예상되는 접합부, 케이스 및 히트싱크 온도를 즉시 확인할 수 있습니다.매번 스프레드시트를 만지작거리거나 방정식을 다시 도출할 필요가 없습니다.열 저항 네트워크 계산기 를 열고 보드 스핀을 실행하기 전에 열 설계에 필요한 여유가 있는지 확인하십시오.수치가 제대로 작동하기를 바라기만 하는 것이 아니라 실제로 효과가 있다는 사실을 알면 더 잘 수 있을 것입니다.