AN4017 Understanding Temperature Specifications An Introduction (Japanese).pdf

AN4017
温度仕様について
関連製品ファミリ: 同期 SRAM
関連製品ファミリ: なし
ソフトウェア バージョン: なし
関連アプリケーション ノート: AN42468
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AN4017 は、サイプレスの製品データシートに記載されている温度仕様についての基礎知識を説明します。デバイスの動作
温度は、多くの要素に影響を受けます。また本アプリケーション ノートにより、デバイスの熱に関するパラメーターや温度仕様
について理解できます。
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はじめに
集積回路 (IC) が動作するには電力が必要です。この電力は、電圧と電流として電源ピンを通して IC に提供されます。電力
の消費により熱が発生し、その結果、接合部の温度が周囲の温度と異なるようになります。接合部温度に影響を与える要素
はいくつかあります。
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近くの IC の熱
空気の流れ
IC のパッケージ材料
IC のパッケージ技術 (例えばフリップチップやワイヤ ボンディング)
IC パッケージのリード数
プリント回路基板 (PCB) の素材
周囲温度
動作するデバイスがとりうる最も低い温度は周囲にある空気の温度 (TA) です。いくら放熱させようが、空冷しようとも、デバイス
は周囲の空気温度より冷却されることはありません。 IC が電力を消費し始めると、接合部温度 (TJ) は周囲温度より高くなり
ます。接合部温度は空冷や放熱器により下げることができますが、電力が消費されている限り、TA を上回ります。
熱抵抗は、特定のデバイスが内部で発生した熱を散逸させる能力であり、 ℃/W の単位で表されます。基本的には、デバイス
が消費する電力に基づいて TJ がどのくらい増えるかを示すのに熱抵抗が使用されます。
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文書番号: 001-92729 Rev. *B
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温度仕様について
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定義
以下は、デバイスの動作状態に関するいくつかの重要な定義です。
TA = 周囲温度: 無風時の周囲温度です。
TC = ケース温度: 半導体デバイスのケースの温度です。
TJ = 動作時接合部温度: 特定の動作条件下でのデバイス回路自体の温度です。 TJ はケース温度や周囲温度から計算か推
測しなければなりません。
TJmax= 最大接合部温度: 信頼性のある動作を保証するためにデバイスが許容できる最高温度です。システム設計者は信頼
性を保証するために TJ < TJmax を保証する必要があります。
表 1. 最大接合部温度
SRAM の種類
TJmax
同期 SRAM
125 °C
nvSRAM
150 °C
非同期 SRAM
150 °C
デュアル ポート RAM と FIFO
125 °C
F-RAM
125 °C
サイプレスの各種メモリ デバイスの最大接合部温度を表 1 に示します。
消費電力 (Pd): 動作中のデバイスで消費されて熱を発生させる電力です。一般的にワットで表されます。
空気の流れ = システムから熱を除去するために使用されるデバイスの上と周辺の空気の動きです。
熱抵抗 = 特定のシステムの熱流量特性を記述する経験的に導かれた定数であり、°C/W で表されます。熱抵抗は、パッケージ
内のデバイスで発生した熱を周囲に放出する能力の尺度です。熱抵抗に影響を与えるいくつかの要素は、 (1) IC チップの
ダイ サイズ、 (2) モールド化合物および (3) リード フレーム/基板設計です。パッケージの特性として一般的に使用される熱
パラメーターは、JA (接合部から周囲への熱抵抗)、JC (接合部からケースへの熱抵抗)、CA (ケースから周囲への熱抵抗)
およびJB (接合部から基板への熱抵抗) です。
図 1. 熱抵抗の種類
JA は、接合部から周囲空気への熱抵抗です。JA は、パッケージ内の IC チップから周囲に熱を伝導するパッケージの能力を表しま
す。JA は、デバイスが 1W の電力を消費する時、接合部と周囲の温度差として定義されます。JA (°C/W の単位 ) = (TJ –TA)/Pd。特
定のパッケージとリード フレームに関し、JA に影響を与えるいくつかの要素は、 (1) IC チップのダイ サイズ、 (2) システム基
板上で IC パッケージに取り付けられたプリント基板の配線の長さおよび (3) パッケージに当たる空気の流量です。JA の値は
デバイスのデータシートに記載されています。
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温度仕様について
JC は、接合部からケースへの熱抵抗です。JC は、デバイスが 1W の電力を消費する時、接合部とパッケージ上の基準点の
温度差として定義されます。JC (°C/W の単位) = (TJ – TC)/Pd。これは主に、パッケージを構成する素材の熱特性の関数で
す。JC の値はデバイスのデータシートに記載されています。
JB は接合部から基板への熱抵抗です。JB は、デバイスが 1W の電力を消費する時、接合部と基板の温度差として定義さ
れます。JB (°C/W の単位) = (TJ – TB)/Pd。 TB は、ダイの近くにある所定の場所で測った基板の温度です。JB は、要求に応
じて提示されます。
CA はケースから周囲への熱抵抗です。CA は、デバイスが 1W の電力を消費する時、パッケージ上の基準点と周囲の温度
差として定義されます。CA (°C/W の単位) = (TC – TA)/Pd 。CA はいくつかの要因の中で、対流と放射に関わる表面積
および周囲条件に主に依存しています。これは放熱器を使用してより大きな表面積やよりよい伝導経路を提供することで、
または空冷や液体冷却で制御することができます。
接合部から周囲への熱抵抗は、接合部からケースへの熱抵抗とケースから周囲への熱抵抗の合計です。つまり、熱パラメーター
の関係は次のように表すことができます: JA = JC + CA
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接合部温度の計算
接合部から周囲への熱抵抗 (JA) および周囲温度が与えられた場合、次のようにデバイスが消費する電力を計算し、チップ
の接合部温度を計算することができます:
TJ = Pd JA + TA
ここで、
JA = 接合部から周囲への熱抵抗
TA = 周囲温度
Pd = コア消費電力 + I/O 切り替え時消費電力 + ODT 消費電力
コア消費電力 = VDD(max.) x IDD and
I/O スイッチング電源 =  × f × CL × V2 x (切り替わっている I/O の数) 、
ここで、
は、作動係数、すなわち出力が切り替わる周波数とクロック周波数との比率
= 0.5 (標準同期 SRAM、NoBL™ SRAM などのシングルデータ レート デバイスの場合)
= 1 (DDR/QDR™ SRAM などのダブル データ レート デバイスの場合)
f = 動作周波数
CL = 外部負荷容量
V は出力電圧の振幅、
例:
= Vddq (未終端負荷の場合)
= Vddq/2 (プルアップ終端付きの終端負荷の場合)
ODT 消費電力は、入力のオンダイ終端抵抗で消費された電力です。非 ODT 部品では、この電力はゼロです。ODT 消費電
力の説明については、図 2 を参照してください。
以下に示すように、ドライバーの出力インピーダンスが R の場合、入力側のオンダイ終端抵抗は 2R となります。
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温度仕様について
図 2. ODT 消費電力
ドライバーが「1」を出力するときはパス 1 が、「0」を出力するときはパス 2 がアクティブとなります。どちらの場合も ODT 抵抗
で消費される電力は
ODT 消費電力 = (5/16) × (Vddq)2 × (1/R) × (ODT 抵抗を備えた入力数)、ここで、
= Vddq は I/O 電圧
= 2R はプルアップとプルダウン終端用に使用される終端抵抗
ODT の電力計算式については、AN42468 を参照してください。
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SRAM の例
100 リード SRAM TQFP デバイス (CY7C1381D 製品) を例にとります。熱抵抗は、無風状態および 4 層基板で
28.66°C/W です。負荷容量 40pF で全ての I/O が切り替わる条件でデバイスが 100MHz で動作すると仮定すると、電力消
費は次のように計算されます:
Pd = コア消費電力 + I/O 切り替え時消費電力 + 消費電力
コア消費電力 = VDD(max.) × IDD = 3.6 × 175 × 10–3 = 0.63 W
I/O スイッチング電力 = × f × CL× V2 x (切り替わっている I/O の数) = 0.5 × 100 × 106 x 40 × 10–12 × (3.6)2 × 36 =
0.93 W
ODT 消費電力 = 0 (入力 ODT 抵抗がないため)。
したがって、合計消費電力は Pd = 1.56 W
接合部温度の上昇は熱抵抗を使って計算します:
TJ = TA + (熱抵抗 × 消費電力)
= TA + (JA × Pd)
= TA + (28.66 °C/W × 1.56 W)
= TA + 44.71 °C
注: 使用されるJA は参考値で、デバイスによって異なります。
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温度仕様について
アプリケーションの仕様を商業用温度範囲にするとして、0°C~70°C の周囲温度を想定します。システム内の標準的な環境
が 30 摂氏であると仮定すると、接合部温度は
TJ = 30 °C + 44.71 °C
= 74.71 °C
システムに空気の流れがあれば、接合部温度は下がります。
最悪の状況では、TA = 70℃となります:
TJ = 70 °C + 44.71 °C = 114.71 °C
ただし、通常のアプリケーションでは、基板の層数が多く、放熱特性がよい基板が利用されます。接合部の温度が周囲の空気
温度よりもはるかに高くなり、通気性と基板設計が接合部温度に大きな影響を与えることが分かります。
詳細については、同期 SRAM 製品の接合部温度の計算用のオンライン ツールを参照してください。
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温度仕様
熱パラメーターは、無風で最悪状況の値です。さらに温度が高くなると、温度性能の限界に近づきます。このため、商業用温
度範囲から産業用または車載用温度範囲に仕様を移行する場合には、温度がかなり高くなります。
良い熱管理は、接合部温度を最大定格 TJmax に対して十分余裕をもって下げることです。理由は、接合部温度 (TJ) が上昇すると、
デバイスの寿命に影響を及ぼすことがあるためです。
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システムに関する注意事項
発生した熱の大部分はプリント基板を通ります。基本的に熱がチップから基板に伝わる経路は 4 本あります。
1.
少量の熱がデバイスの周りの空気を通してケースから周囲に伝えられます。
2.
熱がトップ レイヤーを通して基板に伝えられます。
3.
熱が複数のビアを通して内層の絶縁物と銅箔に伝えられます。
4.
最後に、熱がチップの下の複数のビアを通してボトム レイヤーの銅箔に伝えられます。
周囲環境において IC パッケージを実装する方法およびその位置は、動作時の接合部温度に大きな影響を与えます。これら
の条件はシステム設計者によって管理されるもので、基板レイアウトやシステムの通気性について慎重に検討する必要があ
ります。
強制空冷は熱抵抗を大幅に抑制します。一般的には、パッケージの長手方向に平行な空気の流れは垂直な空気の流れ
より少し効率が良いです。
IC 取り付ける放熱器は、周囲環境に熱を逃すことで熱抵抗を改善することができます。放熱性能はサイズ、素材、設計、シス
テムの通気性によって異なります。概して実質的な改善をもたらします。
パッケージの実装方法は熱抵抗に影響を及ぼします。例えば、表面実装パッケージは、配線に取り付けられたリードを通して
大量の熱を放出します。
プリント基板の金属 (銅配線) は、パッケージから熱を逃し、周囲に放出します。したがって、配線の面積が大きければ大きい
ほど熱抵抗が下がります。
プリント基板に熱伝導性の高い素材を使用すると、熱抵抗がもっと下がることが あります。例えば RT/duroid 6035HTC
(Rogers 製) の接合部から基板への熱抵抗 (JB) は、FR-4[1]に比べて約 10%小さくなります。
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サイプレスの 72M QDR-II+および JEDEC 準拠のプリント基板の熱抵抗の測定シミュレーション結果に基づきます。
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温度仕様について
その他の最も効果的な伝導経路はビアです。チップの下にビアが多ければ多いほど、熱抵抗が下がります。その結果、チップ
の接合部温度も下がります。ビアを適切に配置しビアから内層の絶縁物と銅箔までの伝導経路を最適化することで、チップ
から熱を効率的に逃すことができます。
また、パッケージ サイズが小さくなり基板に実装されるデバイス数が増えるにつれて、熱特性はより注意が必要になります。
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TJ の測定
接合部温度を測定して仕様より十分低いかを確認することはできますが、作業が難しいです。
現実的でより簡単な方法は、ケース温度を測定することです。テスト中のデバイスに取り付けた熱電対や測温抵抗体 (RTD)
などによる直接測定、または輻射温度計などを用いた非侵襲的な方法が可能です。上記の例で示したように、TC が与えられると、
接合部からケースへの熱抵抗および消費電力を使って TJ を計算することができます。
詳細については、JEDEC 仕様 JESD51「Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single
Semiconductor Device)」を参照してください。
一般的には、ケース温度と接合部温度の差はわずか数℃程度であるため、計算は不要です。したがって、ケース温度を測定
してから最大定格接合部温度より低いことを確認することをお勧めします。最大接合部温度より高い場合は、接合部の温度
はさらに高く、アプリケーションが仕様範囲外で動作しています。
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まとめ
デバイスの熱特性は基板設計者にとって重要事項です。熱パラメーター、特に接合部温度が最大接合部温度よりもはるかに
小さいことは非常に重要です。理由は、接合部温度が上昇すると、デバイスの寿命に影響を及ぼすことがあるためです。接合
部温度を直接測ることは現実的でないため、デバイスのケース温度を測定してから接合部温度を計算することをお勧めしま
す。TJ に影響を及ぼす要因の中には、IC メーカーが制御できるものと、システム設計者が制御できるものがあります。また、
パッケージ サイズが小さくなって実装密度が増えるにつれて、温度および熱管理は基板設計者にとってますます重要事項に
なります。
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文書番号: 001-92729 Rev. *B
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温度仕様について
改訂履歴
文書名: AN4017 - 温度仕様について
文書番号: 001-92729
版
ECN 番号
変更者
発行日
**
4395701
HZEN
05/15/2007
これは英語版 001-15491 Rev. *G を翻訳した日本語版 001-92729 Rev. ** です。
*A
4669766
HZEN
03/24/2015
これは英語版 001-15491 Rev. *H を翻訳した日本語版 001-92729 Rev. *A です。
*B
5160972
HZEN
03/11/2016
これは英語版 001-15491 Rev. *I を翻訳した日本語版 001-92729 Rev. *B です。
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変更内容
文書番号: 001-92729 Rev. *B
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温度仕様について
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