package 열저항 숫자만으로 실제 board 온도를 예측하면 틀리는 이유

datasheet의 Theta JA가 30°C/W라면 2 W를 쓰는 chip은 주변보다 60°C 뜨겁다고 계산하기 쉽다. 계산식 자체보다 어려운 문제는 그 30°C/W가 내 board에서도 같은 값인지다. junction-to-ambient 열저항은 package 재료 하나의 상수가 아니라 package·PCB·주변 환경이 함께 만든 결과다.

Theta JA는 보통 θJA로 표기한다. 정해진 board와 환경에서 power를 소모하게 하고 정상 상태의 junction 온도와 ambient 온도 차이를 power로 나눈 값이다. 열이 package 윗면으로만 나가는 것이 아니다. solder와 PCB로 전달된 뒤 넓은 copper와 board 표면에서 주변으로 나가는 경로도 포함된다.

TI Semiconductor and IC Package Thermal Metrics 1절은 θJA가 특정 test coupon 위의 package 성능이며 PCB와 환경에 의존한다고 설명한다. 1.8절에서는 실제 시스템 조건에서 구한 effective θJA와 그 조건을 함께 보고해야 한다고 다룬다. test board와 실제 board가 다르다면 숫자만 옮겨 junction 온도를 확정할 수 없다.

가상 열 회로로 board의 영향을 분리해 보자. junction에서 윗면을 거쳐 주변으로 나가는 경로의 전체 저항은 100°C/W다. 아래쪽 경로에는 junction-to-board 5°C/W와 board-to-ambient 35°C/W가 직렬로 있다. 두 경로가 같은 ambient로 연결되고 모든 저항은 일정하다고 정한다.

아래쪽 합은 40°C/W이고 위쪽과 병렬이므로 전체 저항은 100 × 40 / (100 + 40) ≈ 28.57°C/W다. ambient 25°C, chip power 2 W에서 junction은 약 82.1°C다. 이 값은 실제 device의 측정치가 아니라 두 경로를 갖는 자체 모델의 정상 상태 결과다.

package 내부와 위쪽 경로는 그대로 두고, board-to-ambient 저항만 80°C/W로 바꾸자. 작은 copper 면적이나 바뀐 방열 조건을 추상적으로 표현한 것이다. 아래쪽 합이 85°C/W가 되어 전체는 약 45.95°C/W, junction은 약 116.9°C가 된다. 첫 board의 28.57°C/W를 두 번째 board에 그대로 쓰면 약 34.7°C 낮게 예측한다. package가 같아도 board 경로가 전체 온도를 바꾼다.

이는 PCB만 잘 만들면 어떤 package도 안전하다는 뜻이 아니다. junction-to-board 경로 자체가 큰 경우에는 board 개선 효과가 제한될 수 있다. 공기 흐름이나 heatsink를 바꾸면 위쪽 경로와 열의 분배도 달라진다. 실제 저항은 온도와 power에 따라 변할 수 있고, 주변 부품의 발열은 이 모델에 포함하지 않았다.

ambient도 정의해야 한다. 밀폐된 case 안의 부품 주변 공기가 55°C인데 실내 25°C를 식에 넣으면 시작부터 30°C 차이가 생긴다. 주변 부품이 board를 데우는 경우에는 chip 자체 power만으로 모든 온도 상승을 설명할 수도 없다. 온도와 power를 함께 기록할 때 측정 위치, board, airflow와 다른 열원을 남겨야 한다.

pulse 동작에서는 정상 상태 θJA 하나로 peak junction 온도를 계산하지 않는다. 짧은 시간에는 package와 board가 열을 저장하므로 transient thermal impedance와 실제 power 시간 이력이 필요하다. 평균 power가 같더라도 높은 peak와 긴 대기 시간이 있는 조건은 다른 열 응답을 가질 수 있다. 이 글의 저항 모델은 일정한 2 W가 충분히 오래 적용된 조건이다.

Theta JA를 읽을 때 먼저 볼 것은 숫자의 크기만이 아니다. 그 숫자를 만든 board와 환경이 무엇인지, 내 시스템에서 같은 열 경로가 유지되는지다. 실제 조건의 측정이나 검증된 열 모델로 effective 값을 구한 뒤 필요한 power와 온도 여유를 계산해야 한다. 조건이 붙은 열저항이 설계 판단에 쓰이는 숫자가 된다.