要約

熱設計に利用される多くの手段の中で、最も重要なものはジャンクション-周囲間の熱抵抗(Θ_JA)と呼ばれるパラメータです。このアプリケーションノートでは、Θ_JAの測定方法について説明し、また静止空気中で動作する回路の熱設計プロセスの概要について説明します。ここでは主として、シリコンデバイスの動作中にジャンクション温度を直接測定することができるようにするプロトタイピング技術に焦点を当てます。MAX1811リニアバッテリチャージャなどの回路を実例として挙げています。

ジャンクション温度と熱抵抗の基礎

熱設計の主目的は、集積回路のジャンクション温度を許容範囲内に収めることです。いずれのIC製造業者も、絶対最大定格のリスト(表1)に最大動作ジャンクション温度を記載しています。したがって、システムの性能と信頼性¹を維持するのであれば、基板レベルの設計者はすべてのICジャンクション温度が絶対最大定格を超えないようにしなければなりません。

表1. MAX1811の温度に関する絶対最大定格(ジャンクション温度を150℃に制限)

ICのジャンクション温度を直接測定することは困難です。ICのジャンクション部に触れることができないようパッケージによってブロックされているためです。これに代わる方法として、図1に示すように、ジャンクション-ケース間の熱抵抗(Θ_JC)とケース-周囲間の熱抵抗(Θ_CA)を用いてジャンクション温度を計算することができます。熱抵抗はICのジャンクション温度を求めるときに最も重要なパラメータとなります(Θ_JA = Θ_JC + Θ_CA)。

図1. 熱抵抗を用いてICのジャンクション温度を計算するための熱挙動の電気モデル

Θ_JAを規定していないIC製造業者はおそらく、Θ_JAの逆数(電力損失のディレーティング係数)を定めています。たとえば、MAX1811の電力損失ディレーティング係数は17.5mW/℃です(表1より)。17.5mW/℃の逆数を求めると、Θ_JA = 57℃/Wとなります。

図1の熱モデルは、温度を電圧、電力を電流とみなせば、オームの法則に類似しています。以下の例は、この類似性を示すものです。この例は、周囲温度30℃で1W (P_D)の電力を消費するMAX1811のジャンクション温度(T_J)を計算しています：

V = I × R (オームの法則)
T = P × Θ (熱モデル)

T_J = P_D × (Θ_JC + Θ_CA) + TA
T_J = 1W × 57℃/W + 30℃
T_J = 87℃

図1の熱モデルをより深く理解するために、Θ_JCとΘ_CAが実際には何を表しているのかを考えてみましょう。Θ_JCはチップサイズ、リードフレーム、および本体の材質などICパッケージの特性から導き出されます。これらの特性はICパッケージに固有のもので変更することはできません²。一方、Θ_CAは、強制空冷、パッケージ実装、トレース幅、外付けヒートシンクなど、外部の変動要素に直接的に関係します。つまり、Θ_CAは、パッケージ化されて実装されたICから空気中への熱伝達経路を表しています。

電子システムの熱伝達経路を計算するときは、その経路上にある物質の熱伝導率を考慮する必要があります。熱伝導率は、物質の熱を伝える能力を測定するものです。表2に示すように、熱伝導は主にシステムの金属部分を通じて行われるものであり、プラスチック(エポキシ)部分は熱の経路としての役割はほとんど果たしていません。

表2. 一般的な電子システムに使われる物質の熱伝導率

Θ_CAは外部の変動要素に依存するため、Θ_JAはその環境に応じて変化します。このため、IC製造業者は、Θ_JAの測定時に標準のテスト条件を守ることによって正確で意味のあるデータ³が得られるようにしています。これらの標準テスト条件については、アメリカ電子機械工業会(EIA)およびJEDEC固体技術協会が作成するJESD51と呼ばれる一連の文書に詳細に記述されています(同文書はすべて、ここからダウンロードすることができます)。

JESD51にしたがって測定されて、IC製造業者から提示されたΘ_JAの値を使用すれば、同じ電子パッケージに収容された異なるデバイス、および異なる電子パッケージに収容された類似デバイスの熱特性を比較することができます⁴。たとえば、以下に示す、異なるパッケージに収容されているスピーカドライバ(MAX4366)の熱特性について考えてみましょう：

8ピンSOT23パッケージのMAX4366のΘ_JAは103℃/W
8ピンTQFNパッケージのMAX4366のΘ_JAは41℃/W

製造業者が規定するΘ_JA値を用いてジャンクション温度を推定するときには注意が必要です。というのは、アプリケーションの環境と製造業者のテスト環境との間に少しでも違いがあるとΘ_JAの値が大きく異なる可能性があるからです。たとえば、製造業者がJESD51にしたがって、1立方フィートの静止空気中で動作するデバイスを用いてΘ_JAを測定した場合、この値では、静止空気の量が非常に限られた携帯電話で動作する同デバイスの熱挙動を正確に予測することはできません。

アプリケーションでの熱抵抗の測定

Θ_JAは、設計のレイアウトや他の物理的要因に左右されるため、JESD51規格を使用して規定されているΘ_JA値は、所定のアプリケーションには適用されない場合があります。すでに述べたように、JESD51の標準環境は1立方フィートの静止空気中であり、デバイスは比較的大きな標準プリント基板に実装されています。このような環境は今日の多くのアプリケーションの状況とは大幅に異なるものです。PDA、ラップトップ、携帯電話、およびディジタルカメラでは、極めて小さなケースに収められた小さな回路基板に多数のICが実装されています。

試作作業では、たとえアプリケーションに固有の厳しい環境であっても、直接Θ_JAを測定してICの絶対最大定格を遵守することが可能です(以下に概説する手順はデバイスに過度の負荷をかける可能性があるため、試作作業用のツールと考えてください。生産デバイス用にはお勧めしません)。Θ_JAを測定するには3つのパラメータが必要です：

ここで
P_D = ICの電力損失
T_A = 周囲温度
T_J = ICのジャンクション温度

P_DとT_Aは簡単に得られますが、T_Jは、容易に測定することはできません。内部のジャンクション部に触れることができないようICパッケージによってブロックされているためです。ただし、既存のオンチップダイオードを温度検知デバイスとして使用することによってT_Jを測定することができます。たいていのICには静電気放電(ESD)から保護するためのダイオードが搭載されています。このダイオードは、温度検知デバイスとして利用するのにも適しています。

温度検知ESDダイオードを選定して特性を明確化

ICのジャンクション温度(T_J)を求めるには、ESDダイオード対温度の挙動を求める方程式が必要です。このダイオード方程式は4ステップの手順で求められます。次にこの方程式を使用し、ESDダイオードの順方向電圧の関数としてT_Jを計算します。

ステップ1：IC内で適切なESDダイオードを探す

最初に、ICが動作しているときに順方向バイアスをかけることのできる内部ESDダイオードを探し出します。一部のデータシートには内部ESDダイオードの場所が明確に記載されています(たとえば、MAX1169データシートの図6を参照)。記載されていない場合は、ICの絶対最大定格の表からESDダイオードの場所を推定してください。

絶対最大定格を使用してESDダイオードの場所を見つけるときに大きな手がかりとなるのが｢0.3V｣という数値です。これは、最大ジャンクション温度(マキシムのデバイスでは通常150℃)でのダイオードの順方向電圧です。たとえば、表3にはダイオードの場所を暗に示す3つの｢0.3V｣が記載されています。図2は端子IN、BATT、SELI、CHG、EN、およびSELVのそれぞれにESDダイオードがあり、このESDダイオードが、｢グランドからダイオードドロップ分だけ低い｣電圧以下にこれらのピンの電圧をクランプすることを示しています。また、SELVには、その電圧を｢V_INよりもダイオードドロップ分だけ高い｣電圧以下にクランプするダイオードがあります。

表3. ESDダイオードの存在を暗示する｢0.3V｣の数値が記されたMAX1811絶対最大定格の項目

絶対最大定格の表を正しく読み取れることを確認するため、また当該ESDダイオードが温度検知デバイスとしての利用に適していることを確認するために、標準的なマルチメータのダイオードチェックモードにてこれらをチェックします。ディジタル入力をGNDにクランプするESDダイオードは、温度検知デバイスとして利用するのによく適しています。

ステップ2：ESDダイオードの温度に関する特性を明確にする

適切なESDダイオードを探し出したら、このダイオードの温度に対する特性を測定する必要があります。正確に測定するために、各デバイスの特性を別々に測定するのが理想的ですが、多数のデバイスをテストしなければならない場合は、10～12パーツの特性を測定し、そのデータを平均することによって全体を表すのが一般的な方法です⁵。パーツ間の不一致はすべて、ダイオードの特性のばらつきに起因します(理想係数)。多数のデバイスをテストするときは、最終的にこの理想係数が温度測定の不確実性を左右します。

MAX1811のESDダイオードの特性曲線(図3)は、SELVとGND間のダイオードで取得したものです。被試験デバイス(この場合、MAX1811)は、電力供給を遮断し、温度検知デバイスとの接続に使用されるピン以外のすべてのピンをフロート状態にする必要があります(図4)。

図3. MAX1811 ESDダイオードの特性曲線-ダイオード順方向電圧が温度とともに下降することを示します。

図4. デバイスが電力を消費していない状態でオンチップESDダイオードの特性を測定すれば、周囲温度とジャンクション温度を等しくすることができます。

デバイスの電力供給を停止し、温度を安定させてから、ESDダイオードの特性を測定すれば、周囲温度とジャンクション温度を等しくすることができます。DUT (被試験デバイス)で消費される電力はダイオードでの極めて微小な電力だけであるため自己発熱はありません。この結果、ダイオードの温度は周囲温度に等しくなります。

図4に示すように、ESDダイオードは電流源によって励起されます。励起電流の振幅はいくつかの要因によって決定されます。励起電流は、ノイズやダイオードの漏れ電流の影響を無視できるほど大きいことが必要です(つまり、たいていのデバイスは、励起電流が50nAよりも大きくなければなりません)。また、デバイスの絶対最大定格に適合するだけ十分に小さいことが必要です(マキシムのデバイスの場合、一般的に励起電流が2mAより小さくなければなりません)。

また、励起電流は、デバイスの性能に影響を与えない程度に小さいことも必要です。この制限値は、ESDダイオードに電流を流しているときに、デバイスの重要特性を監視することによって、経験的に見出すことができます。MAX1811の場合、3µAを超える電流は充電電流を増加し、通常の動作条件を超えてしまいます。

励起電流は著しい自己発熱が生じない程度に小さいことが必要ですが、上記で2mAの最大制限値が確定されていれば、通常はこのような現象が現れることはありません。MAX1811のキャリブレーション曲線は1nA～1000nAの励起電流で得られたものです。MAX1811 ESDダイオードのキャリブレーション曲線(図3)は、任意の順方向電流に対する順方向電圧が温度とともに減少することを示しています。

ステップ3：特性データを検証するためにテスト曲線を取得する

ステップ2で取得したデータは、電力が供給されていないデバイスで得られたものです。DUTに電力を供給したときに大きな変動がないことを確認するために、最小電力(静止)状態でデバイスに電力を供給してテスト曲線を取得します。

図5は、MAX1811 (T_A = 75℃)の特性曲線と、静止状態で製品に電力を供給した場合のT_A = 75℃でのテスト曲線を比較しています。静止状態で5Vの電力を供給した場合、MAX1811は約1mAの電流を消費します。マキシムから提示されているΘ_JAの値(57℃/W)を使用すると、この5mWの電力損失によって、周囲温度よりも0.3℃上回る温度にジャンクションが上昇することになります。図5のテスト曲線は、温度が若干上昇しているものの曲線の形状には大きな変動が見られないことから、キャリブレーションデータは信用できるものと考えられます。

図5. 電力が供給されたMAX1811のテスト曲線。ダイオード順方向電圧に大きな変動が見られないことから、信用できるデータであることがわかります。

ステップ4：特性データからダイオード方程式を作成する

ステップ3で特性データの確認が完了しました。次の最終ステップでは、ダイオード方程式を作成します。

図6は図3で示したデータと同じデータを使用していますが、一定のダイオード電流におけるダイオード電圧対温度をグラフ化しています。図6に描いた線の傾きがK係数であり、順方向電流が一定の900nAであるときにダイオード順方向電圧が1.746mV/℃減少することを示しています。この900nAという値は、ノイズや漏れ電流の影響を受けるほど小さくはなく、またESDダイオードにストレスを与えたり、著しい自己発熱を引き起こしたりするほど大きくはないため、励起電流としての役割を果たすことができます。

図6. ダイオード順方向電圧が1.746mV/℃減少することを示すMAX1811のESDダイオード方程式

内部ESDダイオードを用いてT_Jを測定

MAX1811のジャンクション温度の計算は、図6のMAX1811ダイオード方程式を使用すれば簡単です。励起電流900nAで60℃の環境における通常の動作条件下では(図7)、SELVとGND間のESDダイオードの順方向電圧は233.6mVとなります。ステップ4で導いた方程式(図6に示す)を使用すると、以下に示すように、ジャンクション温度を計算することができます：

したがって

V_Dに値を代入すると

ゆえに

以上で、ジャンクション温度(T_J)が得られたため、以下に示すようにアプリケーション固有のΘ_JAを計算することができます：

マキシムはMAX1811のΘ_JAの値を57℃/Wと提示していますが、上記で計算したアプリケーション固有の値は71.4℃/Wであり、熱伝導率が著しく低下しています。JESD51で規定された条件と実際にデバイスをテストした条件を考えれば、この熱伝導率の低下は妥当なものです。Θ_JAの公称値に比べてアプリケーション固有のΘ_JAが減少する主な要因は、エンクロージャのサイズ、基板に使用されている銅の量(熱を放散させるため)、および空気に晒される基板の表面積です。

図7. 通常動作時におけるMAX1811のESDダイオード順方向電圧の測定

MAX1811熱制御ループのテスト

MAX1811は、バッテリの充電電流を制限することによってT_J ≤ 125℃ (typ)⁶を維持する熱制御ループを備えています。この機能は、上記の情報を使用して簡単にテストすることができます。ICがT_Jを125℃以下に制限することができるように、充電電流が制限を開始するまで電力損失を増大します。熱制御ループの動作を起動する条件セットの1つは、T_A = 60℃、V_IN = 5.5V、およびV_BATT = 2.7Vです。この動作環境では、MAX1811は通常のバッテリ充電電流を439mAから340mAに減少します(図8)。

図8. 熱制御ループを起動した状態で、動作するMAX1811のESDダイオードの測定

励起電流900nAで60℃環境において熱制御ループを起動した状態では、SELVとGND間のESDダイオードの順方向電圧は193.24mVとなります。ステップ4で導いた方程式(図6に示す)を使用すると、以下に示すように、ジャンクション温度を計算することができます：

上記の計算によって、MAX1811の熱制御ループがT_Jを≤125℃ (typ)以下に制限していることを確認することができます。

通常動作のデータを取得するためのMAX1811テスト環境は、熱制御ループをテストする際に用いたテスト環境と同じであるため、これらの2つの構成に対するΘ_JAの値はほぼ同じであり、電力損失の変化によって若干の変動が生じる可能性がある程度です。熱ループの動作でのΘ_JAは、以下のように計算することができます：

結論

上手に熱設計を行えば、十分に熱を放散して、いずれの部品も最大許容温度を超えないようにすることができます。この目的で熱設計を行う際に最も重要なパラメータとなるのがΘ_JAです。Θ_JAは空気の流れ、パッケージの実装、プリント基板などの環境要因に左右されるため、最終アプリケーションの環境条件下でΘ_JAを測定する必要があります。

各例で示されているように、オンチップESDダイオードを温度検知エレメントとして使用することで、その製品環境のΘ_JAを測定することができます。実験の結果、このようにして測定したΘ_JAの値は、標準条件のJEDEC51環境で測定した値より14℃/W高いことが明らかになっています。また、この製品環境でΘ_JAを測定することで、より精度の高い数値が得られるため、これを熱設計に使用してより効果的な熱放散メカニズムを実現することが可能で、最終的にシステムの信頼性の確保につながります。その結果、的確なサイズで最適化されたヒートシンク、ファン、およびPCB領域を使用することが可能となり、コストを削減することができます。

その他の参考資料：

• アプリケーションノート862 ｢HFAN-08.1: Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Packages｣ 基板サイズやその他のシステムの変動要素がどのように熱伝達に影響を与えるかについて、データを用いていくつかの具体的な例を挙げています。
• アプリケーションノート1057 ｢Compensating for Ideality Factor and Series Resistance Differences between Thermal Sense Diodes｣ 温度に依存するダイオード方程式を見直して、直列抵抗の追加が測定結果に与える悪影響について考察しています。
• アプリケーションノート1832 ｢ハイパワー電源のMOSFET消費を計算するための電源エンジニア用ガイド｣ スイッチング電源の熱抵抗と電力損失について考察するとともに、電力定格に基づいて部品を選定するための実用的な方法に焦点を当てています。
• アプリケーションノート961 ｢Thermal Protection in Low-Cost Systems, Part 1｣ 熱損傷からシステムを保護する低コストの回路について説明しています。
• アプリケーションノート689 ｢IC Temperature Sensors Find the Hot Spots｣ ホットスポットを監視するために使用される温度センサの利用方法を見直しています。