개요: 열 설계에 이용할 수 있는 다양한 툴 중에서 가장 중요한 것은 JA (junction-to-ambient) 열 저항 (ΘJA)이라는 파라미터이다. 이 애플리케이션 노트에서는 ΘJA를 측정하는 방법을 설명하며, 정지 공기에서 동작하는 회로를 위한 열 설계 과정을 간단히 소개한다. 또한 소자가 동작하는 동안 실리콘 소자의 접합점 온도를 직접 측정할 수 있는 시제품 제작 기술(prototyping technique)을 중점적으로 살펴볼 것이다. 실제 예제로 MAX1811 선형 배터리 충전기와 같은 회로가 제공된다.
접합점 온도 및 열 저항의 기본 원리
열 설계의 일차적 목적은 집적 회로의 접합점 온도를 제한하는 데 있다. 모든 IC 제조업체들은 자체적인 absolute maximum rating 목록 (표 1)에 최대 동작 접합 온도를 포함하고 있다. 따라서 시스템의 성능 및 신뢰성¹을 유지하려면, 보드 레벨 설계자는 IC 접합점 온도가 absolute maximum rating을 초과하지 않도록 해야 한다.
표 1. MAX1811의 온도 관련 Absolute Maximum Rating은 접합점 온도를 150°C로 제한한다.
Continuous Power Dissipation (TA = +70°C)
8-Pin SO (derated 17.5mW/°C above +70°C)
1.4W
Operating Temperature Range (°C)
-40 to +85
Storage Temperature (°C)
-65 to +150
Maximum Die Temperature (°C)
+150
Lead Temperature (°C, soldering, 10 seconds)
+300
IC의 접합접 온도를 직접 측정하는 것은 접합점이 IC 패키지 내부에 있기 때문에 실제 측정은 힘들다. 이에 대한 대안으로, 그림 1과 같이 접합점과 케이스 간 (junction-to-case) 열 저항 (ΘJC) 및 케이스와 주위온도 간 (case-to-ambient) 열 저항 (ΘCA)을 사용하여 접합점 온도를 계산할 수 있다. 열 저항은 IC의 접합점 온도를 계산하는데 가장 중요한 파라미터이다 (ΘJA = ΘJC + ΘCA).
그림 1. 열 반응의 전기적 모델은 열 저항을 사용하여 IC의 접합점 온도를 계산할 수 있도록 한다.
ΘJA를 제공하지 않는 IC 제조업체들도 전력 소산 출력 감소 요소 (power dissipation derating factor)인 ΘJA의 역(inverse)은 제공하고 있다. 예를 들어, MAX1811 전력 소산 출력 감소 요소는 17.5mW/°C이다 (표 1). 17.5mW/°C의 역은 ΘJA = 57°C/W를 제공한다.
그림 1의 열 모델은 전압에 대한 온도와 전류에 대한 전력을 방정식으로 나타낼 경우 옴의 법칙과 유사하다. 이러한 유사성은 30°C 주위 온도에서 1W (PD)를 소산하는 MAX1811에 대한 접합점 온도 (TJ)를 계산하는 다음 예제에서 볼 수 있다.
그림 1의 열 모델을 보다 잘 이해할 수 있도록 ΘJC와 ΘCA가 실제로 무엇을 나타내는지 살펴보기로 하자. ΘJC는 다이 크기, 리드 프레임, 본체 재료 (body material)와 같은 IC 패키지 특성으로부터 비롯된다. 이러한 특성들은 IC 패키지마다 고유하므로, 따라서 변경할 수 없다.² 한편 ΘCA는 강제 통풍식 (forced-air cooling), 패키지 실장, 트레이스 폭, 외부 히트 싱크와 같은 외부 변수와 직접적으로 관련된다. 따라서, ΘCA는 IC(패키징 및 실장된)로부터 대기(atmosphere)까지의 열 전달 (heat-transfer) 경로를 나타낸다.
전자 시스템의 열 전달 경로를 계산할 때, 해당 경로에서 재료의 열 전도성을 고려해야 한다. 열 전도성은 재료의 열 전달 능력을 측정한다. 표 2에서 보듯이 열 전도는 주로 시스템의 금속 부분을 통해 발생하며, 플라스틱 (에폭시) 부분이 열 경로에 미치는 영향은 극히 미약하다.
표 2. 일반적인 전자 시스템 재료의 열 전도
Material
Thermal Conductivity(W/m*°C)
Aluminum (Al)
216
Copper (Cu)
393
Gold (Au)
291
Silver (Ag)
417
Silicon (Si)
145
Epoxy
0.2
Thermally Conductive Epoxy
0.8
Air
0.03
ΘCA는 외부 변수에 의존하므로, ΘJA는 그 환경에 따라 다양한 값을 갖는다. 이러한 이유로, IC 제조업체들은 ΘJA를 측정하는 동안 표준 테스트 조건을 유지하여 정확하고 유의미한 데이터³를 보장해야 한다. 이러한 표준 테스트 조건은 미국 전자공업회 (EIA: Electronic Industries Alliance) 및 JEDEC Solid State Technology Association에서 정한 JESD51이라는 문서에 설명되어 있다. (모든 문서는 여기에서 무료로 다운로드할 수 있다.)
IC 제조업체에 의해 제공되고 JESD51에 따라 측정된 수치 ΘJA는 동일한 전자 패키지 안에 탑재된 다양한 소자의 열 특성을 비교하고, 다양한 전자 패키지에 탑재된 유사한 소자에 대한 열 특성에 사용할 수 있다4. 예를 들어, 다른 패키지에 탑재된 스피커 드라이버 (MAX4366)의 열 특성이 다음과 같다고 하자.
8핀 SOT23 패키지에 탑재된 MAX4366의ΘJA는 103°C/W이다.
8핀 TQFN 패키지에 탑재된 MAX4366의ΘJA는 41°C/W이다.
여기에서 8핀 TQFN 패키지가 MAX4366 다이로부터 열을 소산시키는데 있어 8핀 SOT23보다 우수하다는 것을 분명히 알 수 있다. 8핀 TQFN 패키지에 탑재되고 JEDEC51 표준 환경에서 동작하는 MAX4366의 경우, 소자의 접합점 온도가 다이에 소산되는 와트 당 주위 온도보다 41°C 상승한다는 것을 추정할 수 있다.
제조업체에서 지정한 ΘJA 값을 사용하여 접합점 온도를 측정할 경우, 구현할 애플리케이션과 제조업체의 테스트 환경간의 차이가 매우 다른 ΘJA 값을 생성할 수 있으므로 주의가 필요하다. 가령, 제조업체가 JESD51 표준을 준수하면서 1 입방 피트의 정지 공기에서 동작하는 소자에 대해 ΘJA를 측정하는 경우, 이 값은 휴대 전화에서 동작하는 동일한 소자에 대한 열 반응을 정확히 예측하지 못한다. 휴대 전화의 정지 공기 양이 매우 제한되기 때문이다.
애플리케이션의 열 저항 측정
ΘJA는 설계의 레이아웃과 다른 물리적 요소에 따라 달라지므로, JESD51 표준을 사용하여 지정된 ΘJA 값은 특정 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있다. 앞에서 언급했듯이, 표준 JESD51 환경은 1 입방 피트의 정지 공기에서 상대적으로 큰 표준 인쇄 회로 기판 위에 실장된 소자에 대한 것이므로 오늘날 사용되는 대부분의 애플리케이션의 조건과는 큰 차이가 있다. PDA, 랩탑, 휴대 전화 및 디지털 카메라는 극도로 작은 케이스에 제공되는 소형 회로 기판 위에 많은 IC를 실장한다.
시제품 제작의 경우, ΘJA를 직접 측정하면, 애플리케이션에 특정한 가혹한 환경에서도 IC의 absolute maximum rating에 대한 적합성을 보장할 수 있다. (아래에 제공되는 절차는 소자에 과도한 스트레스를 부여할 수 있으므로, 시제품 제작 툴로 바람직하며 생산 소자로서는 권장되지 않는다.) ΘJA의 측정에는 다음 3가지 파라미터가 필요하다.
여기에서
PD = IC 전력 소산
TA = 주위 온도
TJ = IC 접합점 온도
PD 및 TA는 쉽게 구할 수 있지만, IC 패키지가 내부 접합점에 대한 액세스를 막고 있기 때문에 TJ는 쉽게 측정할 수 없다. 그러나 기존 온 칩 다이오드를 온도 감지 소자로 사용하면 TJ를 측정할 수 있다. 대부분의 IC에는 ESD (electrostatic discharge) 방지를 위해 다이오드가 포함되어 있으며, 다이오드는 온도 감지 소자로 사용하기에 적합하다.
온도 감지 ESD 다이오드를 찾고 특성화하기
IC의 접합점 온도 (TJ)를 결정하려면, 온도에 대비한 ESD 다이오드 반응에 대한 방정식이 필요하다. 이러한 다이오드 방정식을 구하려면 4단계 과정을 거쳐야 한다. 그런 다음 방정식을 사용하여 ESD의 다이오드 순방향 전압의 함수로 TJ를 계산한다.
1 단계: IC 내에서 적절한 ESD 다이오드를 찾는다
먼저, IC가 동작하는 동안 순방향 바이어스할 수 있는 내부 ESD 다이오드를 찾는다. 일부 데이터 시트는 내부 ESD 다이오드의 위치를 명시하고 있다 (예를 들면, MAX1169 데이터 시트의 그림 6 참조). 그렇지 않을 경우, IC의 absolute maximum rating 표에서 ESD 다이오드의 위치를 유추한다.
Absolute maximum rating을 사용하여 ESD 다이오드를 찾는 경우 강력한 단서는 숫자 "0.3V"이다. 이 숫자는 최대 접합점 온도에서 다이오드에 대한 순방향 전압을 나타낸다 (일반적으로 Maxim 소자의 경우 150°C). 예를 들어, 표 3에는 다이오드의 위치를 암시하는 3개의 "0.3V" 숫자가 포함되어 있다. 그림 2는 단자 IN, BATT, SELI, CHG, EN 및 SELV 각각은 해당 핀의 전압을 접지 미만의 다이오드 전압강하로 클램핑하는 ESD 다이오드를 포함하고 있다는 것을 보여준다. SELV는 또한 해당 전압을 VIN 이상의 다이오드 전압강하로 클램핑하는 다이오드를 포함한다.
표 3. MAX1811 Absolute Maximum Rating의 항목에는 ESD 다이오드의 존재를 암시하는 "0.3V" 숫자가 포함되어 있다.
IN, BATT, SELI, CHG, EN to GND
-0.3V to 7V
SELV to GND
-0.3V to (VIN + 0.3V)
그림 2. MAX1811 온 칩 ESD 다이오드는 접합점 온도를 직접 측정할 수 있도록 한다.
Absolute maximum rating 표를 정확히 해석했는지 확인하고 문제의 ESD 다이오드가 온도 감지 소자로 사용하기에 적합한지 확인하려면, 표준 멀티미터를 다이오드 체크 모드에서 사용하여 다이오드를 체크한다. 디지털 입력을 GND로 클램핑하는 ESD 다이오드는 온도 감지 소자로 사용하기에도 적합하다.
2 단계: 온도에서 ESD 다이오드를 특성화한다
적합한 ESD 다이오드를 찾았다면, 온도에서 다이오드를 특성화해야 한다. 정확한 측정을 위해 각 소자를 개별적으로 특성화하는 것이 이상적이지만, 테스트해야 할 소자가 많은 경우 일반적으로 10개 ~ 12개 부품을 특성화하여 데이터의 평균을 구하여 전체 배치 (batch)를 대표하는 방법을 사용한다5. 이후의 모든 부품과 부품 간의 비정합 (mismatch)은 다이오드 특성 (이상 계수)의 분산으로 인한 것이다. 많은 수의 소자를 테스트할 경우, 이 소자가 궁극적으로 온도 측정의 불확실성을 결정한다.
MAX1811 ESD 다이오드의 특성화 곡선(그림 3)은 SELV와 GND 간의 다이오드에서 취한 것이다. 테스트하는 소자 (이 경우 MAX1811)는 온도 감지 소자 연결을 위해 사용되는 소자를 제외하면 모든 핀을 부동 (floating) 상태로 하고 전력을 인가하지 않아야 한다 (그림 4).
그림 3. MAX1811 ESD 다이오드 특성 곡선은 순방향 다이오드 전압이 온도와 함께 감소한다는 것을 보여준다.
그림 4. 소자가 전력을 소산하지 않는 동안 온 칩 ESD 다이오드를 특성화하면 주위 온도와 접합점 온도가 같아진다.
전력을 인가하지 않은 (unpowered) 소자로 ESD 다이오드를 특성화하고 온도를 안정화한 다음 측정을 수행하면, 주위 온도가 접합점 온도와 같아지도록 보장할 수 있다. 다이오드에서 DUT에 소산되는 전력은 극히 적은 양이므로 자체 가열은 존재하지 않는다. 그 결과, 다이오드 온도는 주위 온도와 같아진다.
그림 4에서 보듯이 ESD 다이오드는 전류 소스에 의해 여자(excite)된다. 여러 요소가 여자 전류(excitation current)의 진폭을 결정한다. 잡음 및 다이오드 누설 전류의 영향을 무시하기 위해서는 여자 전류가 충분히 커야 한다 (대부분 소자의 경우, 이것은 여자 전류가 50nA보다 커야 한다는 것을 의미한다). 또한 소자의 absolute maximum rating을 준수하려면 충분히 작아야 한다. (Maxim 소자의 경우, 이것은 일반적으로 여자 전류가 2mA 미만이어야 한다는 것을 의미한다.)
또한 여자 전류가 소자 성능에 영향을 미치지 않도록 하려면 충분히 작아야 한다. 이러한 제한은 ESD 다이오드에 전류를 통과시키는 동안 소자의 핵심적 특성을 모니터하여 실험적으로 구할 수 있다. MAX1811의 경우, 3µA보다 큰 전류는 충전 전류를 정상 동작 조건 이상으로 증가시킨다.
여자 전류는 유의미한 자체 가열을 피하려면 충분히 작아야 하지만, 위에서 정해진 2mA 최대 제한을 고려할 경우 이러한 현상은 실제로 나타나지 않는다. MAX1811 캘리브레이션 곡선은 1nA ~ 1000nA의 여자 전류로부터 취한 것이다. MAX1811 ESD 다이오드 (그림 3)의 캘리브레이션 곡선은 특정 순방향 전류에 대한 순방향 전압이 온도와 함께 감소한다는 것을 보여준다.
3 단계: 테스트 곡선을 얻고 특성화 데이터를 확인한다
단계 2에서 얻은 테스트 곡선은 전력을 인가하지 않은 소자에서 취한 것이다. DUT에 전력이 인가될 때 주요 변화가 발생하지 않도록 보장하려면, 최저 전력 (무부하) 상태에서 전력이 인가된 소자를 사용하여 테스트 곡선을 얻는다.
그림 5는 MAX1811 (TA = 75°C)에 대한 특성화 곡선을 무부하 상태에서 전력이 인가된 부품에 대해 TA = 75°C에서 얻은 테스트 곡선을 비교한 것이다. MAX1811은 무부하 상태에서 5V로부터 전력이 인가되는 경우 약 1mA를 소비한다. Maxim에서 제공된 ΘJA 값 (57°C/W)을 사용할 경우, 그림 5의 테스트 곡선은 곡선 형태의 큰 변화없이 온도가 0.3°C의 약간 상승함을 보여주므로, 캘리브레이션 데이터는 신뢰할 수 있는 것으로 간주된다.
그림 5. 전력이 인가된 MAX1811에 대한 테스트 곡선은 다이오드 순방향 전압에 주요 변화가 없다는 것을 보여주며, 이는 신뢰할 수 있는 데이터를 보장한다.
4 단계: 특성화 데이터로부터 다이오드 방정식을 생성한다
3 단계에서 특성화 데이터를 검증했으므로, 마지막으로 다음 단계로 다이오드 방정식을 생성한다.
그림 6은 그림 3과 동일한 데이터를 보여주지만, 다이오드 정전류에서 온도 대비 다이오드 전압을 그린 것이다. 그림 6에 보이는 라인의 경사는 K 계수로서, 이것은 순방향 전류가 정전류 900nA일 때 순방향 다이오드 전압이 1.746mV/°C 감소한다는 것을 보여준다. 이 값 (900nA)은 잡음이나 누설 전류에 의한 영향을 받지 않을 만큼 충분히 크고, ESD 다이오드에 스트레스를 가하거나 유의미한 자체 가열을 발생시키기에는 너무 작으므로, 여자 전류로 사용할 수 있다.
그림 6. MAX1811 ESD 다이오드 방정식은 다이오드 순방향 전압이 1.746mV/°C 감소한다는 것을 보여준다.
내부 ESD 다이오드를 이용한 TJ 측정
그림 6의 MAX1811 다이오드 방정식을 사용하면 MAX1811 접합점 온도를 간단히 계산할 수 있다. 60°C 환경에서 900nA의 여자 전류를 가진 정상 동작 조건에서 (그림 7), SELV와 GND 사이의 ESD 다이오드의 순방향 전압 측정값은 233.6mV이다. 그림 6의 단계 4에서 얻은 방정식을 사용하면, 접합점 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
따라서,
VD를 대입하면,
그러므로,
이제 접합점 온도 (TJ)를 알고 있으므로, 애플리케이션에 특정한 ΘJA는 다음과 같이 계산할 수 있다.
Maxim은 MAX1811에 57°C/W의 ΘJA를 제공하므로, 위에서 계산한 애플리케이션에 특정한 값은 71.4°C/W이며, 이것은 열 전도의 유의미한 감소를 나타낸다. 감소는 JESD51에 의해 지정된 조건과 소자가 실제로 테스트된 조건의 차를 고려할 때 합리적이다. 발표된 ΘJA 값으로부터 애플리케이션에 특정한 ΘJA를 감소시키는 주요 요소는 케이스 크기, 보드 상의 구리 (copper)의 양 (열 확산) 및 대기에 노출된 기판의 표면적 등이다.
그림 7. 정상 동작에서 MAX1811 ESD 다이오드에 대한 순방향 전압 측정
MAX1811 열 제어 루프 테스트
MAX1811에는 배터리 충전 전류를 제한하여 TJ≤125°C (일반)6를 유지하는 열 제어 루프가 포함된다. 이 기능은 위 정보를 사용하여 쉽게 테스트할 수 있다. IC가 TJ to ≤125°C이하로 제한하도록 보장하려면, 충전 전류가 제한하기 시작할 때까지 전력 소산을 증가시킨다. 열 제어 루프의 동작을 트리거하는 일련의 조건은 TA = 60°C, VIN = 5.5V, and VBATT = 2.7V이다. 이러한 동작 환경에서 MAX1811은 정상 배터리 충전 전류를 439mA에서 340mA로 감소시킨다 (그림 8).
그림 8. 능동 열 제어 루프를 사용하면서 동작하는 동안 MAX1811 ESD 다이오드 측정하기
60°C 환경에서 능동 열 제어 루프를 사용하면, 여자 전류가 900nA일 때 SELV와 GND 사이의 ESD 다이오드의 순방향 전압 측정값은 193.24mV이다. 그림 6의 4 단계에서 얻은 방정식을 사용하면, 접합점 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
위 계산은 MAX1811 열 제어 루프가 TJ를 <125°C (일반)로 제한한다는 것을 확인해준다.
정상 동작 데이터를 이용한 MAX1811 테스트 환경은 열 제어 루프를 테스트하는데 사용된 테스트 환경과 동일하므로, 이들 두 구성에 대한 ΘJA 값은 유사하며, 전력 소산의 변화에는 근소한 차이만 나타났다. 열 루프의 동작에 대한 ΘJA는 다음과 같이 계산할 수 있다.
결론
성공적인 열 설계는 어떠한 부품도 허용 가능한 최대 온도를 초과하지 않도록 보장한다. 이러한 목적을 위한 가장 중요한 열 설계 파라미터는 ΘJA이다. ΘJA는 공기 흐름, 패키지 실장, 인쇄 회로 기판과 같은 환경 요소에 의존하므로, 반드시 최종 애플리케이션에 존재하는 조건에서 측정해야 한다.
예에서 보았듯이 온 칩 ESD 다이오드를 온도 감지 요소로 사용하여 제품 환경에 대한 ΘJA를 측정할 수 있다. 실험 결과는 이러한 ΘJA 값이 표준 JEDEC51 환경 조건에서 측정한 값보다 14°C/W 더 높다는 것을 보여준다. 또한 제품 환경에서 ΘJA를 측정하면 열 설계에 이용할 수 있는 보다 정확한 수치를 제공하므로, 보다 효율적인 열 소산 메커니즘을 허용함으로써 궁극적으로 시스템 신뢰성을 보장한다. 따라서 정확한 크기 및 최적화된 히트 싱크 팬 및 PCB 영역의 사용을 통해 비용을 절감할 수 있다.
다운로드, PDF 형식
