개요: 이 애프리케이션 노트는 MAX2116 및 MAX2118 직접 변환 튜너 IC를 위한 열적 분석을 싣고 있다. 최대 주변 온도는 105°C임을 알 수 있다. 케이스에서 주변까지의 열 저항은 66.3°C/Watt이다. 평균적인 접합 온도는 주변 온도 25°C일 때 56.2°C로 추정된다.
MAX2116/MAX2118은 40핀 QFN 열 특성 강화 패키지를 사용하고 있다. 패들(paddle)이 노출되어 있어 열전도도가 매우 우수하여 내열 설계가 간단해진다.
대부분의 열은 노출된 패들을 통해 전달된다. 리드와 패키지의 위쪽으로 방출되는 열의 양은 매우 미미하다. 패들을 PCB 구리면에 접촉하게 하면 열 전달 경로가 생성된다. 구리면이 넓을수록 냉각 효율이 높아진다.
냉각 효율을 올리는 가장 효과적인 방법은 윗면을 구리로 처리하고 이를 노출된 패들로 덮는 것이다. 그러나 레이아웃 상의 문제로 인해 이 방법은 구현하기가 쉽지 않은 경우가 많다. 그 다음 방법으로는 그라운드 면과 같은 구리에 연결된 노출 패들 아래로 연결된 via를 사용하는 것이 있다. MAX2116EVKIT은 2 레이어 보드에 이 방법을 적용한 좋은 예이다.
ΘJA = 접합으로부터 주변까지의 열 저항(단위: °C/watt). ΘJA는 칩에서 주변 공기까지의 열 흐름에 대한 저항의 크기를 나타내는 값이다. ΘJA에는 윗면, 아랫면, 노출 패들, 리드 및 IC의 리드와 노출 패들에 연결되어 있는 모든 구리를 통한 열 흐름 경로들이 포함된다.
ΘJC = 접합에서 케이스까지의 열 저항(단위: °C/watt). ΘJC에는 QFN 패키지에 대해 칩으로부터 노출 패들까지의 열 흐름에 대한 저항이 포함된다.
ΘCA = 케이스에서 주변까지의 열 저항(단위: °C/watt). ΘCA에는 노출 패들로부터 공기까지의 열 흐름에 대한 저항이 포함된다. ΘCA는 PCB 상의 구리를 통해 흐르는 열 흐름에 대한 지표이다. 일반적인 경우 ΘCA는 방열판을 통한 열 흐름에 대한 저항이다.
TJ = 접합 온도(단위: °C).
TC = 케이스 온도(단위: °C). 케이스 온도는 QFN 패키지의 바닥에 있는 노출 패들의 중심에서 측정한다.
TA = 주변부 온도(단위: °C). 즉, IC를 둘러싸고 있는 공기의 온도.
TJA = TJ - TA = 접합으로부터 주변부까지의 온도 저하(단위: °C).
TJC = TJ - TC = 접합으로부터 케이스까지의 온도 저하(단위: °C).
TCA = TC - TA = 케이스로부터 주변부까지의 온도 저하(단위: °C).
PD = IC 내에서 소모되는 전력.
그림 1. 기본적인 방열 모델
전력은 전류로서 모델링할 수 있고, 열 저항은 저항으로, 그리고 온도는 전압으로 모델링할 수 있다(그림 1 참조). 그림 1을 살펴보면:
ΘJA = (TJ - TA)/PD
(식 1)
ΘJA는 °C/W 단위로 측정한 열저항이다. ΘJA의 값이 작은 것이 바람직하다. 그림 1과 식 1을 살펴보면 ΘJA의 값이 작을 경우 주어진 전력 PD에 대해 온도 강하 TJA가 적게 됨을 알 수 있다. 온도 강하를 최소로 함으로써 설계자는 고정된 주변 온도에 대해 낮은 접합 온도를 유지할 수 있게 된다(식 3).
TJA = ΘJA × PD
(식 2)
TJ = TA + ΘJA × PD
(식 3)
그림 2. 열 모델의 상세도
ΘJA는 ΘJC와 ΘCA의 합이다(그림 2 및 식 4 참조). ΘJC는 40핀 QFN MAX2116/MAX2118에 대해 2°C/W로 설정되어 있다. 설계자는 이 파라미터를 어떻게 할 수 없다. 설계자가 변경할 수 있는 것은 ΘCA이다.
ΘJA = ΘJC + ΘCA
(식 4)
조건
ΘJC = 40핀 QFN MAX2116/MAX2118에 대해 2°C/W.
ΘJA = JDEC 표준에 따르는 1 레이어 기판에 대해 42.9°C/W4. 구리 1oz, 노출 패들 아래 9개의 via 있음.
ΘJA = JDEC 표준에 따르는 멀티레이어 1S2P (신호 레이어 1개, 파워 플레인 2개) 보드에 대해 30°C/W.4 구리 2oz, 노출 패들 아래 9개의 via 있음.
TJMAX = 150°C
PDMAX = 1391mW, 5.25V, 265mA
PDNOM = 975mW, 5.0V, 195mA
위에서 알 수 있듯이 ΘJA에 대해서는 2개의 값이 있다. 2개의 PCB를 제작하여 JDEC 표준에 따라 측정하였다.4 1 레이어 보드의 열 저항은 상당히 작다. 실제로는 멀티레이어 열 저항인 ΘJA = 30°C/W에 가깝게 될 수 있다. JDEC 멀티레이어 보드가 2oz의 구리와 노출 패들 아래 9개의 via를 사용하고 있음을 유념하자. 일반적인 2 레이어 보드의 경우 구리 1oz를 사용하고 30°C/W 보다 약간 높은 열 저항을 갖는다.
그림 3. The MAX2116 연속 출력 감소 곡선
설계
다음은 방열판의 필요 사양을 결정할 때 사용하는 몇 가지의 설계 가이드라인이다.
IC가 겪게 될 최고 주변 온도(TA)를 결정한다. 뜨거워진 TV 바로 위의 최고 실온은 49°C이며 회로에 의한 열 상승은 6°C이다. 이로써 최고 주변 온도는 55°C가 된다.
최고 접합 온도를 결정한다. MAX2116 및 MAX2118의 경우 TJMAX = 150°C이다.
MAX2116/MAX2118 데이터 시트에 의하면 최대 전류는 265mA이며 최대 전원 전압은 5.25V이다. PDMAX = 265mA × 5.25V = 1391mW
접합에서 주변까지의 전체 열 저항을 계산한다(식 1). ΘJA = (TJ-TA)/PD = 95°C/1.391W = 68.3°C/W이다. 따라서 MAX2116/MAX2118 및 PCB의 열 저항 조합을 68.3°C/W로 하여야 한다.
ΘCA = ΘJA - ΘJC = 68.3 - 2 = 66.3°C/W
최대 ΘCA = 66.3°C/W인 PCB 설계가 필요하게 된다.
Figure 4. This PCB design requires at most ΘCA = 66.3°C/W.
분석
일반적인 설계의 경우 최고 주변 온도를 계산해 보자.
1oz의 구리를 사용한 2 레이어 보드의 경우 ΘJA = 32°C/W라 하자.
최대 전력을 계산한다. PDMAX = 265mA × 5.25V = 1391mW.
접합-주변 간 온도 저하를 계산한다. TJA = 1.391W × 32°C/W = 44.51°C.
최고 주변 온도를 계산한다. TA = TJ - TJA = 150°C - 44.51°C = 105°C.
공칭 조건에 대해 평균 접합 온도를 계산해 보자.
1oz의 구리를 사용한 2 레이어 보드의 경우 ΘJA = 32°C/W라 하자.
공칭 전력을 계산한다. PDNOM = 195mA × 5.0V = 975mW.
접합-주변 간 온도 저하를 계산한다. TJA = 0.975W × 32°C/W = 31.2°C.
TA = 25°C로 가정하여 접합 온도를 계산한다. TJ = TJA + TA = 31.2°C + 25°C = 56.2°C.
실험실 측정 방법
ΘCA를 측정하는 한 가지 방법은 PCB 상의 노출 패들 패턴 위에 저항을 위치시키는 것이다. 방열 그리스를 저항과 패드에 바르고 열 흐름이 패드로 이어지도록 한다. 저항 양단에 전압을 인가하여 알려진 값의 전력인 PD를 공급하도록 한다. 서모커플러로 공기 온도(TA)를 잰다. 마찬가지로 PCB의 온도(TC)를 측정한다. 가능하면 서모커플러와 패드 중심을 가까이 한다. 공기의 흐름에 의해 특정결과가 변하지 않도록 카드보드 상자 안에서 온도 측정을 수행한다.4
참고자료:
Amkor Technology, Application Notes for Surface Mount Assembly of Amkor's Micro Lead Frame (MLF) Packages. Application Note, Amkor Technology, March 2001.
Guenin Bruce, What Are All these Different Thermal Numbers: Theta's, Psi's? A Mini-tutorial, Amkor Technology, February 1999.
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