package 윗면 온도로 접합 온도를 추정할 때 쓰는 숫자

package 윗면이 70°C라고 측정했다. junction은 몇 도일까. datasheet의 junction-to-case 숫자를 power에 곱해 더하면 될 것 같지만, 일반적인 board에서는 모든 열이 윗면으로 흐르지 않는다. Psi JT는 이런 실제 열 분배를 가진 조건에서 윗면 온도로 junction을 추정하도록 만든 characterization parameter다.

기호는 ψJT다. 정의는 junction 온도와 package top 온도 차이를 device의 전체 소모 power로 나눈 값이다. 단위가 °C/W라고 해서 특정 물리 경로에 흐르는 열을 분모로 쓰는 열저항과 같지는 않다. top으로 실제 얼마의 열이 나가는지 측정하지 않고 전체 power를 사용한다는 점이 핵심이다.

TI Thermal Metrics 지침 3절은 이 이유로 θ 대신 ψ를 사용한다고 설명한다. board와 airflow가 test와 비슷하면 Tj ≈ Ttop + ψJT × Ptotal로 실제 junction을 추정하는 데 유용하다. 같은 문서는 ψJT도 board 구성과 airflow에 따라 달라짐을 명시한다. 조건을 완전히 없애 주는 만능 변환 계수는 아니다.

차이를 보기 위해 가상으로 junction에서 top으로 가는 실제 경로 저항을 10°C/W라고 정하자. 이것은 단순 모델의 경로 저항이며 datasheet의 θJC를 실제 조건에 그대로 적용한 값이 아니다. 전체 power 1.5 W 중 10%, 즉 0.15 W가 이 경로로 흐른다고 두면 junction-to-top 차이는 1.5°C다.

이 경우 ψJT는 1.5°C / 1.5 W = 1°C/W다. top 온도 70°C라면 junction은 71.5°C다. 반면 경로 저항 10°C/W에 전체 power 1.5 W를 곱하면 junction을 85°C로 계산한다. 13.5°C를 과대평가한 이유는 경로에 흐르는 0.15 W 대신 열 전체를 넣었기 때문이다. 작은 ψJT가 물리 경로의 저항도 반드시 작다는 뜻이 아님을 보여 준다.

같은 이상 경로 저항에서 top으로 흐르는 비율이 40%가 된 조건을 따로 생각하자. top 경로 power는 0.6 W, 온도 차이는 6°C, ψJT는 4°C/W다. 전체 power와 top 온도가 앞과 같다고 정하면 junction은 76°C다. 예전의 ψJT=1을 쓰면 4.5°C 낮게 추정한다. 두 가상 조건의 열 분배를 정한 것이며 실제 airflow 변화가 반드시 이 비율을 만든다는 예측은 아니다.

분배가 바뀌는 대표적인 이유는 열 경계의 변화다. board 아래로 열을 더 잘 내보내거나 top에 heatsink를 붙이면 열의 선호 경로가 달라진다. heatsink를 추가한 뒤에도 아무 조건 확인 없이 이전 ψJT를 사용해서는 안 된다. 냉각 장치가 top을 덮으면 같은 위치의 온도를 측정하는 것 자체도 달라진다.

온도 측정에는 또 다른 오차가 있다. 굵은 thermocouple과 큰 접착 덩어리는 측정하려는 표면에서 열을 빼앗을 수 있다. IR 측정은 표면 emissivity와 실제 spot 위치에 영향을 받는다. TI 지침 3.1절도 측정 위치와 thermocouple의 heat sinking, IR emissivity 보정을 다룬다. 차이가 작은 ψJT를 쓰는 계산에서는 top 온도의 작은 측정 오차가 결과에 그대로 들어갈 수 있다.

power도 IC의 실제 소모 power여야 한다. board 전체 입력 전력이 모두 이 chip에서 열로 변하는 것은 아니다. 외부 부하나 다른 IC에서 소비한 전력을 포함하면 추정값이 틀린다. 여러 die와 외부 열원이 있는 구조에서 하나의 대표 온도를 어떻게 정의할지도 확인해야 한다. 이 글은 하나의 steady-state junction과 top을 갖는 모델만 비교했다.

Psi JT를 사용할 때는 metric의 의미와 측정 조건을 함께 읽는 것이 좋다. 전체 power를 사용하는 정의이기에 실제 열 분배가 비슷한 환경에서 유용하고, 그 환경이 달라지면 적용성을 확인해야 한다. top 온도를 junction으로 바꾸는 계산은 숫자 하나를 더하는 일이 아니라, 그 숫자가 대표하는 열의 흐름을 현재 시스템에서도 유지하는지 확인하는 일이다.