熱抵抗データ：
T_Jの見積もりにおけるθ_JAとΨ_JT －その2－

前回は、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というテーマの「その1」として、θ_JAとΨ_JTを使ってできることを説明しました。今回は「その2」として、Ψ_JTの特性とT_Jの見積もりにおけるθ_JAとΨ_JTの有効性を説明します。なお、前回も記したように、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。

条件によるθ_JAとΨ_JTの特性と有効性

Ψ_JTは、デバイス全体の消費電力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あることから、実機での実動作状態におけるT_Jの推定に利用できることが特徴であることは前回説明した通りです。しかしながら、実動作条件の中にはθ_JAやΨ_JTに影響を与え、T_Jの見積もりにおける有効性を左右する条件があります。いくつか例を挙げ、それぞれの特性と有効性を考察します。

●シールドケースなどに覆われた状態
EMC対応などの理由で、対象デバイスがシールドケースで覆われる場合があります。以下は、シールドケースあり・なしでの実測によるθ_JAとΨ_JTの比較です。

シールドケースがあると、θ_JA、Ψ_JTのどちらも上昇しますが、θ_JAは変動が大きくT_Jの見積もりには使用できません。Ψ_JTの上昇はわずかで、もともとの値が小さく変動も小さいため、T_J計算にそのまま使っても大きな誤差にはなりません。例として、シールドケースなしのΨ_JT＝9.4℃/Wを使用して、シールドケースがある場合のT_Jを計算すると以下になり、実際の温度106.7℃と比較して誤差は1%以下です。

●樹脂封止されシールドケースなどで覆われた状態
保護目的で基板を実装部品ごと樹脂封止する場合があります。ここでは、さらにシールドケースなどで覆われた状態を想定します。

θ_JAは封止樹脂により大幅に熱抵抗が下がってしまい、この条件ではθ_JAをT_J計算に使うことはできません。Ψ_JTは増加傾向で大きく変動しています。樹脂封止とシールドケースがない時のΨ_JT=9.4℃/Wを使用して、樹脂封止されシールドケースがある場合のT_Jを計算すると以下になります。

実際の温度53.3℃と比較すると誤差は8%程度になります。これを許容するか、補正してT_J計算に用いるかは検討が必要です。

●発熱源となる部品が隣接した状態
本来は避けるべきですが、部品実装において発熱する部品が隣り合うことがあり得ます。以下は、2個が適度な距離を持っている場合（中央）と、隣接している場合（右）のθ_JAとΨ_JTです。

データが示す通り、部品間が近くなるとθ_JA、Ψ_JTのどちらも増加しますが、θ_JAの変動は大きくT_Jの見積もりには使用できません。Ψ_JTも当然ながら変動しますが、もともとの値が小さく変動もわずかなのでT_Jの見積もりに使用しても大きな誤差にはなりません。例として、1個時のΨ_JT=9.4℃/Wを使用して2個が隣接状態のT_Jを計算すると以下になり、実際の温度101.5℃と比較して誤差は1%以下です。

●基板の層数が変わる場合
基板の層数が変わると、θ_JAとΨ_JTがどのように変化するかを示します。

θ_JAは基板層数が増えることで大きく下がっており、この場合もθ_JAをT_J計算に使うことはできません。Ψ_JTも同様に大きく変動していますが、例として1s（1層基板）時のΨ_JT=9.4℃/Wを使用して2s2p（4層基板）でのT_Jを計算すると以下になります。

実際の温度36.3℃と比較すると誤差は6%程度ですが、これを許容するか、もしくは補正するかどうかは検討が必要です。

まとめ

実機での実装を想定した4つの条件でのθ_JAとΨJTを比較しました。θ_JAは前回の検討通り、銅箔や基板といった放熱条件や隣接する部品からの熱的干渉を受けるため、実機でのT_Jの見積もり計算に使うことは難しいことがわかります。

一方、Ψ_JTは実装条件によって変化しますが、もともとの値が小さい点、そして条件によっては変動がわずかなため、使用する基板や実機の状態を把握しT_Tを精度良く測定することで、提示されているΨ_JTを使って実使用時のT_J見積もりに使うことが可能です。