[전자 공학] 반도체 온도

글의 참고

- https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/basics_of_thermal_resistance_and_heat_dissipation_an-e.pdf

- https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=zelkobaray&logNo=220720139413

- https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN4017_Understanding_Temperature_Specifications_An_Introduction-ApplicationNotes-v11_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c7cdc391c017d071d497a2703 

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글의 전제

- 밑줄로 작성된 글은 강조 표시를 의미한다.

- 그림 출처는 항시 그림 아래에 표시했다.

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글의 내용

- 용어

: Throttling

" `쓰로틀링`이란 시스템 전체의 동작 전압 및 주파수를 낮추거나, 주변 장치들, 즉, 시스템의 핵심적이지 않은 디바이스들의 전압 및 주파수를 낮춤으로써 `safe point`까지 온도를 낮추는 개념이다. 여기서 `safe point`는 대개 SoC 벤더사에서 제공하는 `동작 온도`를 의미한다.

Before an overheating component reaches this point, it may be "throttled" until temperatures fall below a safe point using dynamic frequency scaling technology. `Throttling` reduces the operating frequency and voltage of an integrated circuit or disables non-essential features of the chip to reduce heat output, often at the cost of slightly or significantly reduced performance. For desktop and notebook computers, throttling is often controlled at the BIOS level.
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- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_cooling

 

: Hitsink

" `힛싱크`는 반도체에서 발생하는 열을 외부로 분산시키는 부품이다. 예를 들어, `팬`이나 `방열판`을 생각하면 된다. 아래 그림을 보면, CPU 위에 방열판을 붙이고, 그 위에 다시 팬을 붙여서 CPU가 발생하는 열을 최대한 공기중으로 분산시키려고 하는것이다. 방열판의 구조를 보면, 중간중간 공간을 만들어서 공기와의 접촉을 최대로 했다.

: 위의 그림에서 어디가 더 접촉면이 넓을까? 당연히 왼쪽이고, 이렇게 접촉면이 넓을 수 록 공기와 접촉하는 영역이 많아져 온도가 더 잘 내려간다. 공기는 자연스럽게 순환되기 때문에 지속적으로 열을 식힐 수 있다.

A `heat sink` (also commonly spelled heatsink) is a passive heat exchanger that transfers the heat generated by an electronic or a mechanical device to a fluid medium, often air or a liquid coolant, where it is dissipated away from the device, thereby allowing regulation of the device's temperature.
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A heat sink is designed to maximize its surface area in contact with the cooling medium surrounding it, such as the air.
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- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_sink#Microprocessor_cooling

 

: Hit dissipation

" 반도체의 온도는 결국 들어온 전원 공급량이 클 수록 올라간다. 전원 공급량을 줄일 수 없다면, 최대한 온도가 오르지 않도록 할 수  있는 방법은 없을까? 반도체에 공급 전원을 줄이지 않으면서, 온도를 낮추려면 `열 분산`이 잘 되야 한다. `열 분산`이란 반도체에서 발생한 열이 공기중으로 퍼져나가는 것을 의미한다. 이걸 다른 말로 `heat transfer path`라고도 한다. `열 분산`이 잘 되려면 `열 저항`이 낮아야 한다.

Heat dissipation is an unavoidable by-product of electronic devices and circuits. In general, the temperature of the device or component will depend on the thermal resistance from the component to the environment, and the heat dissipated by the component. To ensure that the component does not overheat, a thermal engineer seeks to find an efficient heat transfer path from the device to the environment. `The heat transfer path` may be from the component to a printed circuit board (PCB), to a heat sink, to air flow provided by a fan, but in all instances, eventually to the environment.
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- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_sink

All electronic devices and circuitry generate excess heat and thus require thermal management to improve reliability and prevent premature failure. The amount of heat output is equal to the power input, if there are no other energy interactions.
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- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(electronics)

 

: Thermal registance

" 열저항은 전기 저항과 크게 다르지 않다. 전기 저항은 전류의 흐름을 방해하는 소자다. 열저항 또한 열이 분산(흐름)하는 것을 막는 `속성`이다. 전기 저항은 실제 물질이지만, 열저항은 `특징` 및 `속성`을 의미한다. 그런데, `열의 분산`이라는 것이 무슨 의미일까? 열은 `반도체(소스)`에서 발생해서 `핫싱크`를 거쳐 공기중으로 분산된다. 이런 과정을 `열의 분산`이라고 한다. 열의 분산이 필요한 이유는 열의 분산을 통해 반도체의 높은 온도가 상대적으로 낮은 공기중의 온도로 전파되기 때문이다.

This is usually quoted as the thermal resistance from junction to case of the semiconductor device. The units are °C/W...

A heatsink's thermal mass can be considered as a capacitor (storing heat instead of charge) and the thermal resistance as an electrical resistance (giving a measure of how fast stored heat can be dissipated)...

- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(electronics)

Thermal resistance is a heat property and a measurement of a temperature difference by which an object or material resists a heat flow.
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- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_resistance

This means that the higher the thermal resistance, the more difficult it is for heat to be conducted, and vice versa.

- 참고 : https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/basics_of_thermal_resistance_and_heat_dissipation_an-e.pdf 

 

: `열 저항` 공식은 생각보다 간단하다. `열 저항 = 온도 변화 / 열 흐름 양`로 표현한다.

https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/basics_of_thermal_resistance_and_heat_dissipation_an-e.pdf

 

 

: Junction Temperature(Tj)

" `접합부 온도`라고도 한다. Tj는 IC의 수명을 좌지우지한다.

" 접합부 온도 공식 : Tj = (Qja * Pd) + Ta
" Qja : Package의 열저항으로 반도체 업체로부터 문의해서 알아봐야 한다.
" Pd : Power Dissipation의 약자로 전력 소모를 의미한다. 위에서 식에서 볼 수 있다시피, 이 전력 소비는 결국 열을 발생시킨다.
" Max Tj는 IC가 파괴될 수 있는 온도이다. 이 값을 넘어가면 반도체의 PN 접합부에 정상동작을 방해하는 반도체 결정이 생성된다. 절대 Max Tj를 넘어서는 안된다.

 

: Ambient Temperature(Ta)

" 대기 온도, 즉, 공기 중 온도를 의미한다.

 

: Operating Temperature

" Tj 온도중 IC가 안정적으로 돌아가는 온도

" Operating Temperature가 10도 ~ 120도 이고, Max Tj = 150도 일 때, 120도 ~ 150도 사이에서는 무슨일이 일어날까? 그건 잘 동작할 수도 있고 어떤 블럭은 오동작 할 수도 있다. 즉, 반도체가 제대로 동작할 지 보증하기 어려운 온도가 

 

: Case Temperature

" 반도체를 덮고 있는 케이스라고 보면된다. 외부와 접해있다.

 

: Board Temperature

" PCB 온도라고 생각하면 된다.

https://www.javelin-tech.com/blog/2015/03/solidworks-flow-simulation-two-resistor-component/

" 접합부에 따라, 열저항을 부르는 용어들이 다양하게 존재한다.

" Qja = junction-to-ambient thermal resistance - 접합부에서 공기중으로 열이 발산할 때, 열의 흐름을 막는 값

" Qjc = junction-to-case thermal resistance - 접합부에서 케이스로 열이 발산할 때, 열의 흐름을 막는 값

" Qca = case-to-ambient thermal resistance - 케이스에서 공기중으로 열이 발산할 때, 열의 흐름을 막는 값

" Qjb = junction-to-board thermal resistance - 접합부에서 보드로 열이 발산할 때, 열의 흐름을 막는 값.