電子機器開発者のための半導体パッケージ熱設計入門 ――待ったなし！SOC & SIPの熱対策
● プリント基板を介した放熱が支配的
最終的な熱の廃棄場所である大気への放熱（熱伝達）はニュートンの冷却の法則に従っており，その熱抵抗値は熱伝達率と放熱面積に反比例します．一般に，パッケージの表面積よりも圧倒的に大きな表面積を持つプリント基板からの放熱が，半導体デバイスから発生する熱の放熱に大きく寄与しています．自然空冷の場合，ある発熱量（W）を与えたときの対流熱伝達による温度上昇（ΔT）は，単純に表面形状の寸法と熱伝達率に関係する係数だけで決まり，下記の式で表されます（2）．
ここで，係数Cは形状と配置によって決まる熱伝達に関する定数です．水平平板の場合，上向きではC＝0.52，下向きではC＝0.26となります．例えば，水平に置かれた35mm角のパッケージ（水平平板と見なせる）の上面から均等に1W発熱している場合の自然対流熱伝達による温度上昇は，上記の式からΔT＝88℃になります．これは，雰囲気への熱伝達が表面積に制限されて放熱が十分に行われず，88℃まで温度が上がることを示しています．すなわち，35mm角の伝熱面積を持つパッケージ表面の自然対流熱伝達に対する抵抗値θcaは88deg/Wということになります．これは，チップからパッケージ表面への熱抵抗値θjc（10deg/W以下）と比べると非常に大きな値です（表1）．
表1 熱抵抗パラメータと数値の例
PBGA : plastic BGA
ABGA : advanced BGA
QFP : quad flat package
|
風速
（m/s） |
PBGA
352ピン，35mm角 |
ABGA
352ピン，35mm角 |
QFP3
04ピン，40mm角 |
|||||||||
|
Ψjt
|
θjc
|
θja
|
QTOP
|
Ψjt
|
θjc
|
θja
|
QTOP
|
Ψjt
|
θjc
|
θja
|
QTOP
|
|
|
0.2自然対流
|
0.2
|
4.1
|
24
|
0.05
|
0.2
|
0.3
|
13
|
0.7
|
0.8
|
9.1
|
30
|
0.1
|
|
1
|
0.4
|
4.1
|
19
|
0.1
|
0.2
|
0.3
|
10
|
0.7
|
1.2
|
9.1
|
26
|
0.14
|
|
2
|
0.6
|
4.1
|
17
|
0.5
|
0.2
|
0.3
|
9
|
0.7
|
1.7
|
9.0
|
24
|
0.18
|
Ψjt ：デバイスが１W消費するときの接合部からパッケージなつ印面までの温度差（deg/W）
θjc ：接合部からパッケージ表面までの熱抵抗（deg/W）
QTOP ：接合部から表面トップに流れる熱量（W）
θja ：接合部から雰囲気までの熱抵抗（deg/W）
接合温度＝Ψjt×消費電力＋デバイス表面温度
