放熱の仕組み

パッケージの重要な役割の1つに、半導体デバイスから発生する熱を放散することがあります。

半導体デバイスは、電流が流れるとオン抵抗（電流が流れるときの内部抵抗）に比例して発熱する一種の抵抗器とみなすことができる。 特に、安全性、性能、信頼性を著しく損なう可能性がある。

放熱設計の不備による過剰な熱は、煙を出したり、発火したりするほか、動作速度が遅くなるなどデバイスの性能を低下させ、最悪の場合、デバイスを破損したり動作不能に陥らせたりする可能性がある。 最悪のケースを回避できたとしても、デバイスの誤動作やシステム寿命の短縮など、信頼性に悪影響を及ぼします。

熱は、伝導、対流、輻射の3つの方法で放出される

熱は伝導、対流、輻射の3つの方法で伝えられる。 下の画像は、プリント配線板 (PWB) と大気を含む実際の動作環境において、熱がソース (すなわちチップ) から最終目的地である大気までどのように流れるかを示しています。

図 1 放熱経路と熱抵抗の原因

放熱は主に PWB を通して行われます。

放熱はパッケージの表面積が十分に大きい場合にのみ有効であるため、下図に示す3つの経路が主に放熱に寄与しています。

• パッケージ上面から大気中へ対流
• 外部ピン/ボールからプリント配線板に伝導し、大気中へ対流
• パッケージ側面から大気中へ対流

Figure 2 Heat Flow Paths

これらの3経路のうち、以下の経路で放熱します。 を経由した放熱経路が最も効果的で、計算上では全放熱量の80％を占めるとされている。 実際の放熱解析では、352ピンPBGAを4層実装した場合、90%の熱はこの経路で放出され、パッケージ表面からの放熱は10%に過ぎません。

ICにおける熱抵抗と熱特性パラメータの定義

熱抵抗の測定方法と定義はJEDEC仕様に基づいて以下に示しています。

図3 熱抵抗と熱特性パラメータの定義

θja はパッケージをPWBに実装したときのチップのジャンクション温度と周囲温度間の熱抵抗であります。

Ψjt は、デバイスの総消費電力 (P) に関する熱特性パラメータで、チップの接合部 (Tj) とパッケージ上面の中心 (Tt) の温度差で表されています。 Ψjbは、デバイスの総消費電力（P）に対する熱特性パラメータであり、チップの接合部（Tj）とパッケージに近いプリント配線板（Tb）との間の温度差を示している。 ΨjtとΨjbは、P、Tt、Tb

θjcは、接合部からパッケージ上面へ全熱が流れる場合のTjとパッケージ表面温度（Tc）の熱抵抗であることからTjを推定するために使用される。 θjcは主に2レジスターモデルで、ほとんどの熱がジャンクションからパッケージ上面に流れるときのTjを推定するために使用します。 θjbはジャンクションからプリント配線板に全熱が流れるときのTj-Tb間の熱抵抗です。 JEDEC JESD51

Notes:

• 熱抵抗や熱特性パラメータは環境条件に大きく依存します。
• そのため、JEDECでは各熱抵抗を決定するための指定環境条件を定めています。
• 特に、θjcはヒートシンクの能力など使用条件に対して過剰に見積もられることがあります。

ディスクリートデバイスの熱抵抗の定義

ディスクリート、パワーデバイスは発熱量が多いので定常熱抵抗に加え過渡熱抵抗も重要であります。

ディスクリート デバイスの熱パラメータの定義

記号

	説明
Rated power	PT or Pch	PT or Pchはディスクリートデバイスに適用する電力の上限値です。 この値は、主に放熱能力によって決定されます。
	TC または Tc	TC の Tc はパッケージ底面の中心点または Drain の場合はリードの根元の温度 *.Tc はパッケージ底面の中心点またはリードの根元の温度。 Cまたはc：case
	TA or Ta	TA or Taは、周囲温度 *: Aまたはa：周囲温度
定格温度	Tch(max)	Tch(max) はMOSFETのチャネル（チップ）の上限温度です。 通常、
	Tstg	Tstgは、MOSFETデバイスまたはMOSFETを含むモジュールやデバイスを保存する際の許容温度範囲として規定されている。
過渡熱抵抗	rth(t)	rth(t) は、直流パルス電源に対する電力損失の熱伝導率の逆数である。
Steady state thermal resistance	Rth(ch-C) or θch-c	Rth(ch-C) or θch-c はチャンネルとケース間の熱抵抗です。
	Rth(ch-A) or θth	Rth(ch-A) or θthはチャネルと周囲温度間の熱抵抗。
	Rth(ch-C) or Rth(ch-A) は絶対最大定格、PT、Tch(max) により次式に従って求めることができます。 *: 製品によって記号が異なる場合があります。

図4 ディスクリートデバイスの熱パラメータの定義

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