熱抵抗データ：TJの見積もりにおけるθJAとΨJT －その１－

前回は、熱抵抗データのθ_JAとΨ_JTの定義について説明しました。今回はT_Jの見積もり計算を行う際に、θ_JAとΨ_JTをどのように使うか、どのように使えるか、を2回に渡り考察したいと思います。なお、熱抵抗データを使ったT_Jの見積もり計算例は、別途説明を予定しています。

θ_JAとΨ_JT

この表は前回示したもののθ_JAとΨ_JTに関する抜粋です。θ_JAはジャンクションから周囲環境までの熱抵抗で、放熱には複数の熱経路が存在します。Ψ_JTはジャンクションからパッケージ上面中心までの熱特性パラメータです。Ψ_JTの計算式に含まれるT_Tはパッケージ上面中心の温度です。

用途として、θ_JAは「形状が異なるパッケージ間での放熱性能の比較」、Ψ_JTは「実セットでのジャンクション温度の推定」が示唆されていますが、この理由について考えて行きます。

θ_JAについて

熱設計において、「θ_JAは熱設計に適用できるのか？」という検討があります。結論からいうと、θ_JAでの熱設計の検討は難しいと考えられています。主な理由を示します。

●T_Aは、どこの温度なのか？
最終的な判断にT_Jが何度であるかの見積もりが必要になります。θ_JAを使用してT_Jを求める場合には、周囲環境温度であるT_Aが必要になります。

T_Aがどのような温度なのかは、JEDEC Standardによって定義されています。以下に参考となるJEDEC Standardを示します。

▶JESD51-2A Integrated Circuits Thermal Test Method Environmental Conditions – Natural Convection (Still Air)

基本的にはJEDECに準拠した箇所でT_Aを測定しますが、メーカーによっては個別にT_A測定条件を提示しているケースもあります。

また、JEDEC Standardでは発熱の影響を受けない空間でT_Aを定義していますが、近年の機器の実装は込み入っており、果たして発熱の影響を受けない空間があるのか、という話もあります。

●高密度実装化
前項でも示しましたが、高密度実装化により、基板上ではICをはじめ発熱する部品がひしめき合っています。現実的に対象に隣接するICなどとの熱的干渉により温度上昇が生じており、T_Aと思しき箇所の温度が本当にT_Aとしてより温度なのか、その判断がかなり難しいのは想像に容易いと思います。

●有効放熱範囲が変わるとθ_JAは変化する
表面実装パッケージのICのデータシートに提示されているθ_JAは、条件として放熱用の銅箔面積、基板の材質や厚みが示されています。これは、裏を返すと、「実装条件によってθ_JAは変わる」ことを示していると言えます。このグラフは、θ_JAとIC実装部の表面銅箔面積の関係を示したデータの一例です。言うまでもなく銅箔面積が増えるとθ_JAは小さくなりますが、θ_JAの変化は直線的ではなく、このようなグラフが提供されていないと、実基板の該当面積からθ_JAを推定するのはかなり困難です。残念なことに、このようなグラフは必ず提供されるとは限りません。

これらのことから、特に昨今の状況においてはθ_JAを使って熱設計を行うのは難しいと考えられています。近年、T_Jの見積もり方法として主流となりつつあるのは、対象のパッケージ上面中心の温度T_Tを実測して、Ψ_JTからT_Jを算出する方法です。

Ψ_JTについて

Ψ_JTは、デバイス全体の消費電力Pに対するジャンクションとパッケージ上面中心の温度差を表す熱特性パラメータです。以下の図は、T_JとT_Tのイメージを示しています。T_Tはとパッケージ上面中心の温度であることから、実機での実動作状態において熱電対などを使って実測が可能です。

T_Tを取得できれば、最初に示したΨ_JTを示す式を変形してT_Jを求めることができます。

 Ψ_JT＝(T_JーT_T) / P　　⇒　　T_J＝T_T＋Ψ_JT×P

「Ψ_JT×P」は、T_JとT_Tの温度差になるので、T_Tに加算することでT_Jとなります。

次回は、実機の諸条件とθ_JAおよびΨ_JTの関係と、T_Jの見積もりにおけるΨ_JTの有効性について説明を予定しています。