熱抵抗について

熱抵抗について
本書では、お客様におけます熱設計時のご参考のために、弊社での熱抵抗に関する各パラメータの定義、
測定方法などについて解説いたします。
■背景
一般的に素子のジャンクション温度（Tj）が 10℃上がる毎にデバイスの寿命は約半分になり、故障率は約２倍になるとい
われています。Si 半導体の場合では Tj が約 175℃を超えると破壊される可能性があります。これより、Tj を極力さげて
使う必要があり、許容温度（通常 80～100℃）を目標に熱設計を行います。但し、パワーデバイスのような高出力素子
では Tj をこの許容温度以下に抑えることは実際には困難であり、仕様書に掲示されている許容最高温度の 80%を目安に
Tj を設定するのが一般的です。
また、デバイスの外形が同じであっても、そのデバイスのチップサイズ、リードフレームのタブサイズ、実装基板の仕様
等により、熱抵抗値が変化しますので注意が必要です。
■定義
半導体パッケージの熱抵抗とは、デバイスが１[Ｗ]の電力を消費した時に生じる素子とパッケ－ジ
表面や周囲雰囲気との温度差で次の式で表されます。
Ta
Tc1
θja 
Tj  Ta
Pd
jt 
Tj  TC1
Pd
θjc 
Tj  TC 2
Pd
θca θja
Tj
ψjt
θjc
Tc
θca
Ta
図1
表1
パッケージの熱抵抗
用語の定義
項目
定義
θｊａ
ψｊｔ
θｊｃ
θｃａ
Ｔｊ
Ｔａ
Ｔｃ1
Ｔｃ2
Ｐｄ
ジャンクション温度（Ｔｊ）と周囲温度（Ｔａ）間の熱抵抗
ジャンクション温度（Ｔｊ）とケース表面温度（Ｔｃ１）間の熱抵抗
ジャンクション温度（Ｔｊ）とケース裏面温度（Ｔｃ２）間の熱抵抗
ケース温度（Ｔｃ）と周囲温度（Ｔａ）間の熱抵抗
ジャンクション温度
周囲温度
ケース表面（ﾏｰｸ面）温度
ケース裏面温度
最大許容電力
Ver.2014-09-03
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熱抵抗について
■ジャンクション温度(Tj)の検証方法（ψjt は既知）
次の方法でジャンクション温度(Tj)をおおよそ見積もることができます。
① 始めに IC の消費電力(P)を求めます。
② 次に実際のｾｯﾄ時の環境条件でｹｰｽ表面温度 Tc1 を放射温度計や熱電対で測定します。
③ 求めた Tc1 を下の式に代入することで算出できます。
Tj  jt  P  TC1
前述の通り、Tj が許容最高温度の 80%になるように熱設計することをお勧めいたします。
注) 弊社測定のθja,ψjt は JEDEC 規格に準拠した基板に実装したときの値であり、フットパターンサイズ,基板の
材質、基板サイズ,基板上の配線率により、若干異なることがありますので十分注意する必要があります。
■熱抵抗測定法
弊社での熱抵抗の測定法は[JEDEC 規格]に準拠し、次のとおりです。
[測定基板]
下図に測定基板の概略を示します。詳細は EIA/JEDEC 規格 EIA/JESD51-3/-5/-7 でご確認願います。
A=76.2mm
B=114.3mm
1.57mm
1mm
銅箔
[ 表面 ]
1 mm
[ 裏面 ]
2 層基板
G=1.98mm
1.6mm
H=2.54mm
[ 表面 ]
C=9.53mm
E=2.39mm
D=3.96mm
F=74.2mm
A
銅箔 1
銅箔 2
A
[ 裏面 ]
0.25mm≦A≦0.55mm
4 層基板
図2
測定基板概略図
実装基板：EIA/JESD51-3/-5/-7 準拠、FR-4
基板サイズ：2 層
114.3×76.2mm、厚さ 1.57mm、
4 層(内面銅箔有) 114.3×76.2mm、厚さ 1.6mm
注）４層基板は内面に銅箔 1,2(ｻｲｽﾞ：74.2×74.2mm、厚み：35um)を適用しています。
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熱抵抗について
[ＴＥＧチップ]
弊社では熱抵抗測定に特別に準備された Thermal Test-Element-Group（以下サーマル TEG）というチップを用いて
います。それは抵抗素子とダイオードで構成されており、抵抗素子は発熱源とし、ダイオードは温度のセンサーの
役目を果たします。イメージ図、等価回路図の一例を以下に示します。
熱抵抗はチップサイズにより変動しますので弊社では 3 種類のチップサイズを所持しています。
＋
ﾁｯﾌﾟｲﾒｰｼﾞ図
図3
測定基板概略図
等価回路図
[Ｋファクタ]
熱抵抗を求めるためにはジャンクション温度を知る必要がありますが直接測定することができません。
しかし、ダイオード順方向電圧(VF)の温度依存性を利用してジャンクション温度を知ることができます。
VF は温度の一次関数で表されますが、このときの傾きを K ファクタと呼びます。
K
Tj
VF
[℃/mV]
K ファクタ
Tj  THi  TLo
VF  VHi  VLo
VF
(V)
VHi : 高温時のダイオード順方向電圧
VLo : 常温時のダイオード順方向電圧
0
50
100
150
200
周囲温度 (℃)
[測定環境]
測定は外部からの風の影響を排除するためにアクリルケースの中で行い無風状態にします（図 4）。
尚、周囲温度は PKG 中心から 25.4mm 下部に取り付けられた熱電対で測定します。
304.8mm
測定 PKG
139.7mm
25.4mm
304.8mm
152.4mm
熱電対
図4
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測定環境概略図
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熱抵抗について
[測定回路]
IM
IH
vH
IM
VF
GND
図 5 測定回路図
[測定タイミング]
１．デバイスを加熱する前に内部ダイオードに IM 電流(1mA)を流し VF0 を測定します。
２．内部抵抗に加熱電圧 VH を一定時間印加し飽和させ、この時の IH を測定します。
３．内部ダイオードに IM 電流を流し、VFSS を測定します。
VH
IM
VF
VFSS
VF0
図6
測定回路図
注）VH は、最大保存温度（Tstg-max）近辺とその前後合わせて 3 ポイントを設定します。
[熱抵抗計算]
表 2 よりθja やΨjt を導き出します。
表2
熱抵抗の計算式
熱抵抗計算式
[θja 計算式]
θja 
Tj
K  VF

VH  IH
VH  IH
[℃／Ｗ]
VF  VF 0  VFSS
[Ψjt 計算式]
jt 
Tj  Ta   TC1  K  VF  Ta   TC1
VH  IH
VH  IH
[℃／Ｗ]
VF  VF 0  VFSS
[用語]
VH：TEG チップ内部抵抗への印可電圧
IH：飽和時の TEG チップ内部抵抗電流
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熱抵抗について
最大許容電力 Pd [mW]
[最大許容電力 Pd]
IC の常温(25℃以下)時の最大許容損失は、各 IC の絶対最大定格で消費電力(Pd)として規定されています。
周囲温度が 25℃を超える場合には、各 IC に対応したパッケージの熱低減曲線(ディレーティングカーブ)を
することが必要になります。
一般的な熱低減曲線を以下に示します。
125 or 150℃
25℃
Topr
Tj(max)
周囲温度 Ta [℃]
図7
Ver.2014-09-03
最大許容電力
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熱抵抗について
■標準熱抵抗値一覧
各パッケージにおける標準熱抵抗値（無風状態）の一覧を表 3 に示します。
注意事項：表中の値は代表値であり、チップサイズ、フレームのタブサイズ、基板仕様(材質、配線パターン等)等の違
いにより異なります。
表3
PKG
DMP8
DMP14
DMP16
DMP20
EMP8
EMP16-E2
SOP8
SOP14
SOP22
SOP28
SOP40-K1
SSOP8
SSOP8-A3
SSOP10
SSOP14
SSOP16
SSOP20
SSOP20-B2
SSOP20-C3
SSOP32
SSOP44
TSSOP54-N1
HSOP82)
HTSSOP24-P12)
TVSP8
TVSP10
VSP8
VSP10
SC-82AB
SC-88A
SOT-23-5 (MTP5)
SOT-23-6 (MTP6)
SOT-89-31)2)
QFP32-J2
QFP44-A1
QFP48-P1
LQFP48-R3
LQFP52-H2
QFP56-A1
QFP64-H1
LQFP64-H2
QFP100-U1
TO-252-31)2)
PLCC28
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θja
(℃/W)
235
195
195
150
180
110
165
125
120
155
135
270
215
270
225
210
185
200
130
110
110
105
160
115
215
215
210
210
365
355
260
245
200
115
95
65
75
85
105
70
65
55
105
55
熱抵抗値一覧
2層基板
Tj:125℃
Ψjt
Pd
(mW)
(℃/W)
47
425
47
510
47
510
37
665
34
555
21
905
26
605
21
800
18
830
37
645
37
740
42
370
36
465
42
370
38
440
35
475
34
540
34
500
13
765
20
905
20
905
10
950
28
625
14
865
27
465
27
465
33
475
33
475
89
270
89
280
70
380
70
405
67
500
17
865
17
1050
17
1535
9
1330
11
1175
17
950
17
1425
6
1535
5
1815
17
950
10
1815
Tj:150℃
Pd
(mW)
530
640
640
830
690
1135
755
1000
1040
805
925
460
580
460
555
595
675
625
960
1135
1135
1190
780
1085
580
580
595
595
340
350
480
510
625
1085
1315
1920
1665
1470
1190
1785
1920
2270
1190
2270
θja
(℃/W)
175
150
150
120
125
70
110
80
85
125
105
210
155
210
180
160
140
150
85
70
70
75
50
45
160
160
155
155
255
260
195
175
130
90
75
50
45
65
80
50
50
45
40
35
4層基板
Tj:125℃
Ψjt
Pd
(mW)
(℃/W)
40
570
40
665
40
665
33
830
29
800
18
1425
23
905
17
1250
14
1175
33
800
33
950
36
475
15
645
36
475
33
555
26
625
26
710
26
665
9
1175
14
1425
14
1425
9
1330
12
2000
7
2220
23
625
23
625
25
645
25
645
72
390
73
380
60
510
60
570
65
765
15
1110
15
1330
15
2000
5
2220
11
1535
15
1250
15
2000
5
2000
5
2220
12
2500
7
2855
Tj:150℃
Pd
(mW)
710
830
830
1040
1000
1785
1135
1560
1470
1000
1190
595
805
595
690
780
890
830
1470
1785
1785
1665
2500
2775
780
780
805
805
490
480
640
710
960
1385
1665
2500
2775
1920
1560
2500
2500
2775
3125
3570
-6-
熱抵抗について
PKG
θja
(℃/W)
370
295
240
225
225
205
225
205
205
210
345
300
280
280
215
195
150
285
285
295
255
215
180
220
160
145
EPFFP6-A22)
EPFFP10-C42)
PCSP12-C3
PCSP20-CC
PCSP20-E3
PCSP24-ED
PCSP32-F7
PCSP32-G32)
PCSP32-GD2)
EPCSP32-L22)
SON6-J1
ESON4-F12)
ESON6-H12)
ESON8-U12)
ESON8-V12)
ESON8-W22)
QFN24-T1/T2
EQFN12-E22)
EQFN12-E42)
EQFN14-D72)
EQFN16-G22)
EQFN12-JE2)
EQFN16-JE2)
EQFN18-E72)
EQFN26-HH2)
EQFN24-LK2)
2層基板
Tj:125℃
Ψjt
Pd
(mW)
(℃/W)
59
270
64
335
40
415
40
440
40
440
40
485
24
440
24
485
24
485
29
475
88
285
52
330
42
355
43
355
16
465
21
510
22
665
52
350
52
350
53
335
43
390
22
465
21
555
33
450
15
625
13
685
Tj:150℃
Pd
(mW)
335
420
520
555
555
605
555
605
605
595
360
415
445
440
580
640
830
435
435
420
490
580
690
565
780
860
θja
(℃/W)
220
160
140
140
130
115
115
115
115
95
260
110
110
110
70
60
75
105
105
95
100
80
70
90
60
65
4層基板
Tj:125℃
Ψjt
Pd
(mW)
(℃/W)
53
450
55
625
33
710
33
710
33
765
26
865
17
865
17
865
17
865
16
1050
69
380
27
905
26
905
26
905
8
1425
8
1665
15
1330
27
950
27
950
26
1050
26
1000
10
1250
11
1425
22
1110
7
1665
8
1535
Tj:150℃
Pd
(mW)
565
780
890
890
960
1085
1085
1085
1085
1315
480
1135
1135
1135
1785
2080
1665
1190
1190
1315
1250
1560
1785
1385
2080
1920
注釈 1)
2 層基板上の熱抵抗値(Θja,ψjt)は、JEDEC 規格 JESD51-5 に基づき、銅箔
100mm2 を表層面にレイアウトした時の値です。
注釈 2） 4 層基板上の熱抵抗値(Θja,ψjt)は、JEDEC 規格 JESD51-5 に基づき、基板
にｻｰﾏﾙﾋﾞｱﾎｰﾙをレイアウトした時の値です。
Ver.2014-09-03
-7-
熱抵抗について
■銅箔面積と熱抵抗値の関係
2 層基板における各パッケージの熱抵抗値θja と銅箔面積の関係を図 8 に示します。尚、裏面にヒートシンクがある
TO252 と SOT89 は、ψjt も掲載しております。基板表層のレイアウトは表 4、表 5 をご参照下さい。
注意事項：製品の熱抵抗データ標準値であり、チップサイズ、フレームのタブサイズ、基板仕様(材質、配線パタ
ーン等)の違いにより、異なります。また、図 8 のデータはサーマルビアホールを適用しておりません。
TO252
200
SOT89
350
180
300
140
熱抵抗値 (℃/W)
熱抵抗値 (℃/W)
160
θja
120
PAT.1
100
PAT.2
80
PAT.3
60
PAT.4
PAT.5
PAT.1
PAT.2 PAT.3 PAT.4
20
PAT.1
200
PAT.2
PAT.3
150
100
Ψjt
40
θja
250
PAT.4
PAT.5
Ψjt
PAT.1
50
PAT.2 PAT.3
PAT.5
PAT.4
PAT.5
0
0
0
400
800
1200
1600
0
400
2
1200
1600
2
銅箔面積(mm )
銅箔面積(mm )
SOT23-5(MTP5)、SOT23-6(MTP6)
400
800
SC88A、SC82AB
400
350
350
θja
θja
PAT.2
PAT.3
250
PAT.4
200
150
250
50
50
0
0
800
1200
2
銅箔面積(mm )
図8
Ver.2014-09-03
1600
2000
PAT.4
150
100
400
PAT.3
200
100
0
PAT.1
PAT.2
300
PAT.1
熱抵抗値 (℃/W)
熱抵抗値 (℃/W)
300
0
400
800
1200
1600
2000
2
銅箔面積(mm )
銅箔面積と熱抵抗値の関係（２層基板）
-8-
熱抵抗について
表4
表層基板のレイアウト
ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
TO252
SOT89
基板ﾚｲｱｳﾄ
PAT.1
ﾌｯﾄﾊﾟﾀｰﾝ
SOT23-5(MTP5)
SOT23-6(MTP6)
銅箔
PAT.2
PAT.3
PAT.4
PAT.5
－
Ver.2014-09-03
-9-
熱抵抗について
表5
表層基板のレイアウト
ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
SC88A
SC82AB
基板ﾚｲｱｳﾄ
PAT.1
PAT.2
PAT.3
PAT.4
表 6 銅箔面積
ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
TO-252
基板ﾚｲｱｳﾄ
PAT.1
PAT.2
PAT.3
PAT.4
PAT.5
Ver.2014-09-03
SOT-89
SOT23-5(MTP5)
SOT23-6(MTP6)
SC88A
SC82AB
100 mm2
225 mm2
400 mm2
600 mm2
1225 mm2
1600 mm2
-
- 10 -

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