電源設計の技術情報サイト

技術資料ダウンロード

2020.09.29 熱設計

熱抵抗と放熱の基本:伝熱と放熱経路

電子機器における半導体部品の熱設計

  • Facebookでシェア
  • Twitterでシェア

熱は、物体や空間を伝わります。伝わるということは、熱の発生源から熱が移動することを意味します。

伝熱の3形態

熱が伝わるには、伝導、対流、放射(輻射)の3つの形態があります。

・伝導:熱エネルギーによる分子の運動が、隣接する分子に伝播されて行くこと。
・対流:空気や水などの流体による熱移動
・放射(輻射):電磁波による熱エネルギーの放出

伝熱の3形態:伝導

伝熱の3形態:対流

伝熱の3形態:放射(輻射)

放熱経路

発生した熱は、伝導、対流、放射により、様々な経路を経て外気に逃げて行きます。ここでは、「半導体部品の熱設計」がテーマですので、プリント基板に実装されたICを例に説明します。

プリント基板(FR4)に実装された表面実装パッケージICの断面イメージと放熱経路

発熱源はICのチップです。その熱がパッケージ、リードフレーム、ダイアタッチパッド、プリント基板に伝導します。その熱はプリント基板やICパッケージ表面から対流、放射により大気に伝わります。これを熱抵抗を用いて表すと以下のようになります。

プリント基板(FR4)に実装された表面実装パッケージICの断面イメージと熱抵抗を示す簡易定常熱回路網

上図右上のIC断面図の各部の色は、回路網の円の色、例えばチップは赤のように一致しています。チップの温度TJは回路網に示した熱抵抗を通って周囲環境温度TAに至ります。

赤の破線で囲んだ経路は、プリント基板(PCB)に表面実装した場合のメインの放熱経路になります。具体的には、チップからダイボンド(チップと裏面露出フレームの接着剤)を介して裏面露出フレーム(パッド)に伝導し、そしてプリント基板ランド上のはんだを介してプリント基板に伝導します。さらに、その熱はプリント基板からの対流と放射により大気(TA)に伝わります。

他の経路としては、チップからボンディングワイヤを通じでリードフレーム、そしてプリント基板に伝わり対流、放射する経路と、チップからパッケージを通じて対流、放射する経路があります。

この経路の熱抵抗とICの損失電力がわかれば、前回(※TD1-4(1/2)にリンク)示した熱のオームの法則で温度差、この場合はTAとTJの差が計算できます。

熱設計とは、ここで示したようなそれぞれの熱抵抗を低減する、つまり、チップから大気までの放熱経路の熱抵抗を低減して行くことです。それにより、TJは低下し信頼性が向上します。

キーポイント:

・熱抵抗とは、熱の伝わりにくさを数値化したもの。

・記号としてはRthやθ(シータ)が用いられ、単位は℃/W(K/W)。

・熱抵抗は電気抵抗とほぼ同じように考えることが。

無料ダウンロードはこちら