ジャンクション-周囲環境の熱抵抗 (RθJA)

半導体デバイスにおいて、ダイ温度はデータシートに記載された最大ジャンクション温度を長時間超えてはなりません。Allegro の導体を内蔵した電流センサーの場合、最大ジャンクション温度は 165℃ であり、いくつかの競合製品は 150℃ に制限されています。温度がデータシートに記載された 165℃ の限界を超えると、デバイスの pn ジャンクションの特性が変化し、IC の特性や部品の長期信頼性に影響を与えるリスクがあります。パッケージの熱抵抗（RθJA、ジャンクション部から周囲への熱抵抗）は、特定の条件下でのダイ温度を決定するための業界標準の指標です。パッケージの RθJA と周囲温度を知ることで、パッケージ内で消費される電力に対するジャンクション温度を決定できます。

通常、RθJA は JEDEC 標準ボードに基づいており、パッケージ間の相対的な熱特性を比較するのに役立ちます。しかし、特定のアプリケーションでは、標準の RθJA 数値は誤解を招く可能性があります。これは、熱拡散が PCB や周囲環境、パッケージ構造に強い関係性があるためです。特に大電力アプリケーションでは、電力最適化された PCB や Allegro 電流センサーのような特殊パッケージがよく使用されます。電力コンポーネントの場合、RθJA は比較目的で熱特性が最適化された PCB に基づいて決定するか、理想的には評価されるアプリケーションで使用されるボードに基づいて決定する必要があります。本記事では、以下の内容について説明しています。

1. Allegro 導体を内蔵した電流センサーパッケージの構造 (MA、MC、LA、LZ、EZ、LH) とそれらが熱指標に与える影響
2. 業界標準の熱指標
3. 特定のアプリケーションで指標を定量化するための熱測定方法
4. Allegro 電流センサー評価ボードの発熱測定結果

図1：本記事で説明されている Allegro パッケージ※Allegro MicroSystems 社より提供

パッケージ構造と熱モデル

Allegro 導体を内蔵した電流センサーには、2つの基本的なパッケージタイプがあります。

■ ダイアップ構造（MA、MC および LH パッケージ）
この構造では、ダイが電流経路上に直接配置され、一次側内部導体（IP ループ）内の電流によって生成される磁場を検出します。ダイと導体の間にはポリイミド絶縁層があります。この構成では、デバイスの二次側（VDD、GND および I/O）をリードに接続するためにワイヤーボンドが使用されます（図2参照、ワイヤーボンドは白で示されています）。

■ フリップチップ構造（LA、LZ および EZ パッケージ）
この構造では、ダイの上部がセンサーホールプレートに近く配置され、磁気結合が強化されます。この構成では、二次側をリードに接続するためにソルダーボールが使用されます（図3参照、ソルダーボール接続は青で示されています）。

図2：ワイヤーボンドを白で示したダイアップ内部構造
※Allegro MicroSystems 社より提供

図3：ソルダーボールを青で示したフリップチップ内部構造
※Allegro MicroSystems 社より提供

ほとんどの標準的な IC 部品では、主な熱源はダイ自体であり、熱源 (Q) の温度はジャンクション温度と見なされます。導体を備えた電流センサーの場合、主な熱源は IP ループであり、数ワットの電力を拡散することができます。これは、通常 75mW を超えないダイ自体の電力よりも桁違いに大きいためこの分析では無視できます。

パッケージ内の主な熱源は IP ループであり、図4 に示されているように、ダイとは高電圧絶縁材料であるポリイミド絶縁層で隔てられています。ポリイミド絶縁層（ポリイミド絶縁テープとも呼ばれる）は優れた熱絶縁体であるため、熱源の温度をジャンクション温度と同じと見なすことはできません。これは通常、RθJA の仮定です。ギャップの熱抵抗 (RGAP) は、周囲のモールド化合物 (RMC2) の熱抵抗よりも大きくなる可能性があります。これにより、ケースの上部の温度 (TC) に影響を与えます。場合によっては、パッケージの上部の温度がジャンクション温度 (TJ) と同じかそれ以下になることがあります。

図4：パッケージの熱抵抗の概要 ※Allegro MicroSystems 社より提供

ダイの反対側には、ダイを銅リードフレームの二次側に接続する電気的インターコネクト (RINT) の熱抵抗があり、これには熱抵抗 (R2nd) があります。ダイアップパッケージ構成の金ワイヤーボンドは、細いワイヤーボンドを通しての熱伝導率が低いです。フリップチップパッケージは、ソルダーボールを使用しており、ダイから銅リードフレームへの熱伝導率が良好な短い金属インターコネクトを持っています。したがって、ほとんどのアプリケーションでは、フリップチップパッケージの方がダイから PCB への放熱が優れています。これは、パッケージの上部を通る空気の流れや放熱が最小限であることを前提としています。なお、高電圧アプリケーションでは、パッケージの上部を放熱することは通常推奨されません。これは、高電圧絶縁に必要な沿面距離と空間距離が大幅に減少するためです。

Allegro 電流センサーは、異なる熱抵抗を持つ 2つのリードフレームと、熱源とジャンクション部の間のギャップがあるため、この熱モデルは標準的な半導体よりもはるかに複雑です。この熱モデルは、標準的な半導体モデルと Allegro 電流センサーモデルの違いを示すために提供されています（図4参照）。このモデルは実際のアプリケーションで使用するには複雑すぎます。Allegro 統合電流センサーの RθJA を正確に測定するには、実験データが必要です。

熱指標の定義

RθJA は、ダイ上の回路と周囲環境の間でパッケージ内に消費される電力からの熱流を説明するための一括熱抵抗です。RθJA は単一の一括パラメーターであるため、ダイ、パッケージ、PCB および周囲環境への放熱を含む全体の熱システムを組み込みます。PCB や環境の変化は RθJA の値に影響を与えます。熱解析において RθJA を考慮する際には注意が必要であり、このパラメーターの誤用は誤解を招くデータをもたらす可能性があります。

RθJA は通常、JESD51 で指定された 2層 PCB レイアウトに基づいています。電流センサーの場合、JEDEC 標準ボードは Allegro 統合電流センサーパッケージが設計された高電流を処理できないため不十分です。ここで定義される RθJA は、このアプリケーションノートで使用される Allegro 評価ボードに基づいており、これらのボードは高電流を運ぶように最適化されています。RθJA は PCB と環境に大きく依存し、本記事の後半でさまざまなパッケージで比較します。

ジャンクション温度を決定するために使用されるもう一つの一般的な指標セットは、RθJC（ジャンクション部からケース）および RθJB（ジャンクション部からボード）です。これらはパッケージの単純なモデルを仮定しており、最終的なアプリケーションには依存しません（図5参照）。このモデルは、図4 の複雑な三次元構造を簡略化しており、システムレベルの熱シミュレーションに実用的です。RθJC および RθJB の指標は、ケースから周囲およびボードから周囲への理想的な熱流を仮定しているため、Allegro 電流センサーにとっては誤解を招く可能性があります。Allegro は、いくつかのパッケージに対してこれらの熱抵抗値を提供しており、ユーザーが自分の熱モデルやシミュレーションでこれらの指標を使用できるようにしています。

図5：熱シミュレーションの簡単なモデル ※Allegro MicroSystems 社より提供

RθJC は、ジャンクション部とパッケージの上部（または周囲への対流）との間のパッケージ熱抵抗であり、低電圧アプリケーションでの放熱計算に役立ちます。この指標は、JESD51-1 で指定されたように、周囲への熱インピーダンスが非常に低く、パッケージの上部に銅製スラグがある状態で決定されることが多いです（図6参照）。RθJB は、ジャンクション部と PCB との間のパッケージ熱抵抗であり、ボードを通じた放熱や周囲への対流の計算に役立ちます。この指標は、JESD51-8 で指定されたように、周囲への熱インピーダンスが非常に低く、銅のエンクロージャーがある状態で決定されることが多いです（図7参照）。いくつかの Allegro 電流センサーパッケージの RθJC および RθJB のシミュレーション結果は、表2 に示されています。

図6：RθJC モデル
※Allegro MicroSystems 社より提供

図7：RθJB モデル
※Allegro MicroSystems 社より提供

RθJC および RθJB はシステムレベルのシミュレーションに理想化されており、実験的な測定には役立ちません。

RθJC はパッケージ上部の表面積の関数であるため、このアプリケーションノートで説明されている最小のパッケージである LH パッケージは、最も高い RθJC を持っています。MA パッケージと MC パッケージは、より大きなポリイミド絶縁層を持ち、パッケージ上部への抵抗は、より小さなテープを持つ LA パッケージよりも大きくなります。

RθJB は、ダイから評価ボードへの熱を拡散するために使用される金属の関数です。EZ パッケージは、パッケージの底面を通じて PCB に直接接続されているため、最も低い RθJB を持っています。MC パッケージは、MA パッケージよりも厚いリードフレーム材料を持っているため、RθJB が低くなっています。LA パッケージの RθJB は、二次側のリードを使用して放熱を助けるソルダーボールを持っているため、低くなっています。LZ パッケージはリードが少ないです。MA および MC パッケージは、二次リードによる放熱の恩恵を受けていません。

ΨJT は、ジャンクション温度とパッケージ上部の最大温度の温度差を示す実用的な熱指標です。複雑な熱流経路のため、ΨJT も最終的なアプリケーションに基づいて決定する必要があります。一度アプリケーションに対して決定されると、ΨJT を使用して、異なる負荷条件でパッケージ上部の温度を測定することにより、ダイ温度を実験的に決定できます。ΨJT は抵抗ではなく、主な熱源がダイと同じ場所にないため、パッケージの上部がジャンクション部よりも熱い場合に負の値になることがあります。

ΨJB は、ボードとジャンクション部の温度差を示す熱指標ですが、Allegro 導体を内蔵した電流センサーにはあまり役立ちません。これは、前述のパッケージ構造により、ボードへの放熱が部品の各側面で異なる温度を生じさせるためです。

ジャンクション温度の測定

RθJA および ΨJT を決定し、正確な指標を得るためには、最終アプリケーションに近いベンチセットアップでダイ温度とケース温度の実験室測定が必要です。

Allegro 電流センサー評価ボードの結果

Allegro 電流センサー (ACS) 評価ボード (EVB) は、ほとんどのパッケージタイプに対応しています。図8 に示されているように、MA および LA パッケージの ACS EVB のテストセットアップが示されています。これらのPCB は、IP ピン用のパッド内ビアを備えた 2オンス銅の 6層構造で、PCBを通じた銅の放熱を最大化します。これにより、PCB 上の電流によって生成される熱が減少し、電流センサーと PCB の間の温度差をできるだけ高く保つことで放熱を助けます。テストは 2 AWG ワイヤーを使用しておこなわれ、これも追加の放熱経路を提供します。

図8：ベンチセットアップ ※Allegro MicroSystems 社より提供

パッケージの相対的な放熱特性を示すために、各パッケージで 3W の電力を消費させました。EZパッケージについては、3W が動作範囲を超えており、PCB がその電流を処理できないため、1.5W を使用しました。これは、IP ループの電圧降下を測定し、パッケージ内で所望の総電力を生成するように電流を設定することでおこなわれました。ボードとパッケージの熱画像は、図10 から図12 に示されています。使用された電流の概要については、表3 を参照してください。

MA および MC パッケージは、パッケージの一次側（IP ループ側）にホットスポットを示し、パッケージの反対側にはほとんど熱が拡散されません。LA、LZ および LH パッケージは、パッケージ全体にわたってより均一な熱分布を示します。これは、ソルダーボールがリードフレームの反対側に熱をより効率的に拡散するためです。MC パッケージは、他のパッケージよりも 2倍厚いリードフレームを持ち、PCB への熱拡散がより効率的であることが、ボードの高温によって証明されています。

LZ および MA パッケージは、パッケージ内で 3W を達成するために同じ 56A を必要としました。LZ パッケージは、MA パッケージよりも低い抵抗と、ソルダーボールを通じてパッケージの反対側への優れた放熱特性を持っています。しかし、MA パッケージはより大きく、放熱のための面積と熱容量が多いです。これらのトレードオフは互いにバランスを取り、パッケージの放熱特性が材料と形状の複雑な組み合わせであることを示しています。EZ パッケージは、より大きなボディーを持つリード付きパッケージよりも、PCB への熱拡散がより効果的であり、パッケージの上部を通じた放熱が少ないことを示しています。これらのボード上のAllegro 電流センサーパッケージの RθJA および ΨJT は表4 に示されています。LA および LZ パッケージは、MA および MCパッケージよりも低い RθJA および ΨJT を持っています。これは、ソルダーボールがダイから PCB への熱拡散をより効果的におこなうためです。LA および LZ パッケージの ΨJT は 0℃/W または負の値に近く、パッケージの上部の温度がダイと同じかそれ以下であることを意味します。EZ パッケージの RθJA は、パッケージサイズが小さく、PCB への放熱が優れているため、他のパッケージよりも高くなっています。

PCB 上の放熱を慎重に考慮することは、平均的な放熱のためにダイ温度を最小限に抑えるために重要です。IP ループへの電流経路のために、PCB の銅トレース面積とトレースの厚さを最大化し、パッド内ビアを使用してダイ温度の上昇を最小限に抑えます。さらに、PCB に電流を供給する電流キャリングワイヤーやインターコネクトもダイ温度に影響を与える重要な要素です。放熱に専用のワイヤーや PCB トレース面積のサイズは、ダイ温度に 20℃ 以上の影響を与える可能性があります。

図9：MAパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

図10：MCパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

図11：LAパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

図12：LZパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

図13：EZパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

図14：LHパッケージ ※Allegro MicroSystems 社より提供

結論

ダイ温度を決定するには、パッケージ、PCB およびシステム全体の熱特性を慎重に考慮し、ダイ温度を最大指定ジャンクション温度である 165℃ 以下に保つ必要があります。RθJA のような業界標準の指標は、特定の条件に適用されることが多いため、特定のアプリケーションでは誤解を招く可能性があるため、注意して使用する必要があります。ここで示された結果は、パッケージ間の比較や、パッケージ構造が熱特性に与えるさまざまな影響を示すのに役立ちます。

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