열 설계

목표

• 소자의 전력과 열 경로를 따라 놓인 열저항으로 접합 온도를 어림합니다.
• 데이터시트의 접합-주위 열저항이 내 기판에 대해 알려 주지 않는 것을 알아 둡니다.
• 패키지 윗면에서 잰 온도로 접합 온도를 어림합니다.

이론

직렬 경로

열저항(thermal resistance)은 그 경로를 흐르는 전력 1와트당 온도 차입니다 [Texas Instruments 2003]. 방열판(heat sink)에 붙은 소자는 전력을 주로 접합(junction)에서 케이스로, 인터페이스(패드, 그리스, 절연체)를 거쳐 방열판으로, 방열판에서 공기로 내보냅니다. 전력 전부가 이 경로를 지난다고 보면, 각 부분은 그 열저항과 전력의 곱만큼 온도를 올립니다.

$$T_J = T_A + P_D \left(\theta_\mathrm{JC} + \theta_\mathrm{CS} + \theta_\mathrm{SA}\right)$$

$T_J$

접합 온도(junction temperature)

$P_D$

소산 전력

$T_A$

주위 온도(ambient temperature)

$\theta_\mathrm{CS}$

케이스-방열판 열저항

$\theta_\mathrm{JC}$

접합-케이스 열저항

$\theta_\mathrm{SA}$

방열판-주위 열저항

직렬 열 경로를 통한 접합 온도✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

• 정상상태; 소자의 전력 전부가 경로의 각 부분(접합→케이스, 케이스→방열판, 방열판→주위)을 차례로 지나감

비고

경로의 각 부분은 그 열저항과 지나가는 전력의 곱만큼 온도를 올리고, 이 상승분이 더해집니다. 경로에서 가장 큰 열저항이 접합 온도 상승의 가장 큰 몫을 차지하므로, 이 열저항을 낮추는 것이 가장 효과적입니다

출처

Texas Instruments 2003, thermal resistance as a temperature difference per watt; derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

therm.Tj · equations.yaml 항목

경로에서 가장 큰 열저항이 접합 온도 상승의 가장 큰 몫을 차지하므로, 그것을 낮추는 것이 가장 효과적입니다.

데이터시트의 접합-주위 열저항 $\theta_\mathrm{JA}$는 가장 흔히 보고되는 열 지표이며, 자주 오용됩니다 [Texas Instruments 2003]. 이 값은 소자를 측정했을 때의 기판과 공기 흐름을 포함해 접합에서 공기까지의 전체 경로를 나타낼 뿐, 내 기판 위의 경로를 나타내지 않습니다.

패키지 윗면에서

방열판이 없는 소자는 리드, 기판, 윗면으로 전력을 내보내며, 전력의 일부만 윗면을 지납니다. 접합-윗면 특성 파라미터(junction-to-top characterization parameter) $\Psi_\mathrm{JT}$는 소자 전체 전력에 대해 접합 온도를 패키지 윗면에서 잰 온도와 관계 짓습니다. 이 값은 실제 열저항이 아니며, 직렬 경로에 더하지 않습니다 [Texas Instruments 2003].

$$T_J = T_T + \Psi_\mathrm{JT} P_D$$

$T_J$

접합 온도(junction temperature)

$P_D$

소산 전력

$\Psi_\mathrm{JT}$

접합-윗면 특성 파라미터

$T_T$

패키지 윗면 온도

패키지 윗면 온도로 구한 접합 온도✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

• 소자가 특성화할 때와 같이 실장·냉각됨(기판 위, 패키지에 방열판 없음). 이 파라미터는 열저항이 아님: 전력의 일부만 패키지 윗면을 지남

비고

전력의 일부만 패키지 윗면을 지나므로 이 파라미터는 진정한 열저항이 아니며 직렬 경로에 더하지 않습니다. 이 파라미터는 특성화한 조건에서만, 측정한 윗면 온도와 접합 온도를 소자 전체 전력에 대해 이어 줍니다. 패키지에 방열판을 붙이면 더 이상 성립하지 않습니다

출처

Texas Instruments 2003, Psi_JT, the junction-to-top characterization parameter

수식 id

therm.psi · equations.yaml 항목

데이터시트의 값은 그 값을 구한 조건에서 성립합니다. 패키지에 방열판을 달면 더는 맞지 않습니다.

온도와 손실

실리콘 MOSFET의 온 저항(on-resistance)은 접합 온도와 함께 커집니다. 인용한 튜토리얼에서는 25 °C에서 125 °C 사이에 대략 두 배가 되며 [Advanced Power Technology 2006], 쓰려는 부품의 배율은 데이터시트의 정규화 온 저항 곡선에서 읽습니다. 도통 손실도 함께 커집니다(도통 손실). 접합이 뜨거울수록 손실이 커지고, 이 손실이 접합을 더 달굽니다. 손실은 상온이 아니라 그 손실이 만드는 접합 온도에서 어림합니다.

풀이 예제

방열판에 붙은 스위치와, 이와 별개로 패키지 윗면 온도를 잰 방열판 없는 소자:

열 예제

기호	값	구하는 방법
$P_D$ 소산 전력	2 W	주어진 값
$T_A$ 주위 온도(ambient temperature)	40 °C	주어진 값
$\theta_\mathrm{JC}$ 접합-케이스 열저항	1.5 K/W	주어진 값
$\theta_\mathrm{CS}$ 케이스-방열판 열저항	0.5 K/W	주어진 값
$\theta_\mathrm{SA}$ 방열판-주위 열저항	20 K/W	주어진 값
$T_T$ 패키지 윗면 온도	70 °C	주어진 값
$\Psi_\mathrm{JT}$ 접합-윗면 특성 파라미터	2 K/W	주어진 값
$T_J$ 접합 온도(junction temperature)	84 °C	직렬 열 경로를 통한 접합 온도
${T_J}_{\mathrm{top}}$ 접합 온도(junction temperature)	74 °C	패키지 윗면 온도로 구한 접합 온도

직렬 경로로 계산하면 스위치의 접합 온도는 84 °C이고, 온도 상승의 대부분은 방열판의 20 K/W에서 생깁니다. 방열판 없는 소자는 패키지 윗면이 70 °C일 때 특성 파라미터로 구한 접합 온도가 74 °C입니다.

직접 해 보기

▶ 수식 탐색기에서 열기: 직렬 열 경로를 통한 접합 온도
초기값을 가져온 예제 bench-thermal

방열판의 열저항을 바꿔 보면, 이 예제에서는 이것이 경로에서 가장 크므로 접합 온도가 그대로 따라갑니다. 대신 접합-케이스 열저항을 낮추면 이 예제에서는 접합 온도가 훨씬 덜 변합니다.

벤치 실습

컨버터를 전부하로 동작시켜 온도가 안정될 때까지 두고, 각 소자의 전력을 손실 모델로 구합니다. 측정한 입력 전력에서 출력 전력을 뺀 값은 모든 스위치, 다이오드, 자성 부품, 커패시터와 제어 회로를 합친 컨버터 전체의 손실이므로, 어느 한 소자의 전력이 아니라 손실 모델의 합계를 확인하는 데 씁니다. 방열판에 붙은 스위치는 주위 온도를 재고 직렬 경로로 접합 온도를 어림합니다. 방열판이 없는 소자(제어기, 또는 기판으로 냉각되는 표면 실장 스위치)는 패키지 윗면 온도를 재고 데이터시트의 특성 파라미터로 접합 온도를 어림합니다. 열화상 카메라는 표면의 방사율(emissivity)에 맞추고, 열전대(thermocouple)의 선이 작은 패키지에서 열을 빼앗지 않게 합니다. 각 어림값을 데이터시트의 접합-주위 열저항이 예측하는 값과 비교합니다.

주의할 점

• 접합-주위 열저항은 측정 당시의 기판과 공기 흐름에서 얻은 값이며, 자주 오용됩니다 [Texas Instruments 2003].
• 특성 파라미터는 열저항이 아닙니다. 직렬 경로에 더하지 않습니다 [Texas Instruments 2003].
• 상온에서 어림한 손실은 너무 작습니다. 온 저항은 접합 온도와 함께 커집니다 [Advanced Power Technology 2006].

더 알아보기

• 응용 노트 Semiconductor and IC Package Thermal Metrics (SPRA953) — Texas Instruments · 확인일 2026-09-24
  데이터시트의 열저항과 특성 파라미터가 뜻하는 것, 측정 방법, 흔한 오용.
• 응용 노트 Understanding Thermal Dissipation and Design of a Heatsink (SLVA462) — Texas Instruments · 확인일 2026-09-24
  접합에서 공기까지의 열 경로와, 이를 바탕으로 방열판 크기를 정하는 법.
• 응용 노트 Power MOSFET Tutorial (APT-0403) — Advanced Power Technology (Microchip) · 확인일 2026-09-24
  전력 MOSFET의 구조, 데이터시트 파라미터, 파라미터가 온도에 따라 변하는 방식.

퀴즈

1. 소자가 25 C 공기 속에서 직렬 열저항 2, 1, 12 K/W(접합-케이스, 케이스-방열판, 방열판-공기)를 거쳐 3 W를 소산합니다. 접합 온도는 얼마입니까?

   1. 45 C
   2. 61 C
   3. 100 C
   4. 70 C
   정답과 해설

   정답: D 상승분이 더해집니다. 3 W × 15 K/W = 45 K이므로, 접합은 25 C보다 45 K 높은 70 C입니다.

2. 그 접합 온도를 가장 많이 낮추는 변화는 무엇입니까?

   1. 열저항이 절반인 방열판
   2. 열저항이 절반인 인터페이스
   3. 접합-케이스 열저항이 절반인 소자
   4. 셋 다 같음
   정답과 해설

   정답: A 가장 큰 열저항인 방열판이 상승의 가장 큰 몫을 차지합니다. 이를 절반으로 줄이면 18 K가 내려가고, 나머지는 1.5 K와 3 K가 내려갑니다.

3. 데이터시트의 접합-주위 열저항은 무엇을 나타냅니까?

   1. 어떤 기판에서든 성립하는 접합-주위 경로
   2. 패키지 자체만
   3. 측정했을 때의 기판과 공기 흐름을 포함한, 공기까지의 전체 경로
   4. 필요한 방열판
   정답과 해설

   정답: C 가장 흔히 보고되는 지표이지만 자주 오용됩니다. 측정 당시의 조건에서 얻은 값입니다.

4. 방열판이 없는 소자가 1.5 W를 소산하고 패키지 윗면은 70 C이며, 데이터시트의 접합-윗면 파라미터는 4 K/W입니다. 접합 온도는 얼마입니까?

   1. 70 C
   2. 64 C
   3. 100 C
   4. 76 C
   정답과 해설

   정답: D 윗면 온도에 파라미터와 전체 전력의 곱을 더합니다. 70 C + 6 K = 76 C입니다.

5. 접합-윗면 파라미터를 직렬 열 경로에 더하지 않는 이유는 무엇입니까?

   1. 실제 열저항이 아니기 때문(전력의 일부만 패키지 윗면을 지남)
   2. 항상 0이기 때문
   3. 다른 단위로 측정되기 때문
   4. 이미 방열판을 포함하기 때문
   정답과 해설

   정답: A 두 온도의 차를 전체 전력과 관계 짓는 값이며, 전력의 대부분은 다른 경로로 빠져나갑니다.

6. 스위치의 도통 손실을 뜨거운 접합 온도에서 어림해야 하는 이유는 무엇입니까?

   1. 뜨거우면 전류가 줄기 때문
   2. 온 저항이 온도에 따라 커지기 때문(배율은 데이터시트의 정규화 곡선에 나옴)
   3. 도통 손실은 온도와 무관하기 때문
   4. 게이트 전하가 커지기 때문
   정답과 해설

   정답: B 상온에서 어림한 손실은 너무 작고, 늘어난 손실이 접합을 더 달굽니다.