How do you calculate junction temperature from thermal resistance?

Junction temperature is calculated using TJ = PD × (θJC + θCS + θSA) + TA, where PD is power dissipation, θJC is junction-to-case resistance, θCS is case-to-sink resistance, θSA is sink-to-ambient resistance, and TA is ambient temperature. Each thermal resistance creates a temperature rise proportional to the power flowing through it.

What is junction to case thermal resistance?

Junction-to-case thermal resistance (θJC) is the thermal resistance from the semiconductor die to the package case, measured in °C/W. This value is determined by the package design including die attach material, leadframe, and molding compound, and cannot be changed by the designer.

How to calculate power dissipation in linear regulator?

Power dissipation in a linear regulator is calculated as PD = (Vin - Vout) × Iload, where Vin is input voltage, Vout is output voltage, and Iload is the load current in amps. This dissipated power drives heat flow through the thermal resistance chain to determine junction temperature.

What is case to heatsink thermal resistance?

Case-to-heatsink thermal resistance (θCS) is the thermal resistance between the component package and heatsink, measured in °C/W. This value depends on the thermal interface material used, such as thermal grease or thermal pads, with dry metal-to-metal contact providing poor performance.

Thermal2026년 3월 1일9분 읽기

열 저항을 이용한 접합 온도 예측

열 저항 네트워크를 사용하여 접합 온도를 계산하는 방법을 알아봅니다.히트싱크 설계 및 열 마진 분석을 위해 θJC, θCs, θSA를 사용한 실제 사례.

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.

T_J = P_D \cdot (\theta_{JC} + \theta_{CS} + \theta_{SA}) + T_A

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.

\theta_{JA} = \theta_{JC} + \theta_{CS} + \theta_{SA}

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:

T_{HS} = T_A + P_D \cdot \theta_{SA}

T_C = T_{HS} + P_D \cdot \theta_{CS}

T_J = T_C + P_D \cdot \theta_{JC}

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.

\theta_{JA} = 1.5 + 0.5 + 4.0 = 6.0\,\text{°C/W}

이제 주변 방향에서 접합부 방향으로 작업하면서 각 인터페이스의 온도를 계산해 보겠습니다.

T_{HS} = 70 + 10 \times 4.0 = 110\,\text{°C}

히트싱크 자체가 110°C로 유지되고 있는데, 너무 뜨거워서 만지고 싶지 않을 정도입니다.

T_C = 110 + 10 \times 0.5 = 115\,\text{°C}

케이스 (TO-220 금속 탭) 의 온도는 115°C로, 열 인터페이스가 제 역할을 하기 때문에 히트싱크보다 5°C 더 뜨겁습니다.

T_J = 115 + 10 \times 1.5 = 130\,\text{°C}

접합부의 온도는 130°C입니다. 엄밀히 따지면 최고 등급인 150°C 이내이지만, 마진을 살펴보겠습니다.

\Delta T_{margin} = 150 - 130 = 20\,\text{°C}

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.

T_J = 25 + 10 \times 6.0 = 85\,\text{°C}

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.

히트싱크 유형	$\theta_{SA}$ (°C/W)
스몰 클립온 (TO-220)	12—20
중간 돌출형 자연 대류	3—8
중간 압출, 강제 통풍 (1m/s)	1.5—4
지느러미가 있는 대형 강제 공기 (초당 2+ m)	0.5—2

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.