[논문]히트싱크에 의한 MOSFET의 열전달 특성변화 분석

김기현; 서길수; 김형우; 김상철; 김남균; 김은동

히트싱크에 의한 MOSFET의 열전달 특성변화 분석
Analyzing the Characteristics of Thermal transient on MOSFET depending on a Heat sink 원문보기

김기현 (한국전기연구원) , 서길수 (한국전기연구원) , 김형우 (한국전기연구원) , 김상철 (한국전기연구원) , 김남균 (한국전기연구원) , 김은동 (한국전기연구원)

Power MOSFET의 구동시에는 많은 열이 발생하게 된다. 이때 발생하는 열은 소자의 특성이나 수명에 영향을 주어 오동작을 하게되는 원인이 되기도 한다. 일반적으로 열이 많이 발생하는 chip이나 개별소자의 경우 히트싱크를 부착하여 사용하게 된다. 본 논문에서는 열을 방출시키기 위해 사용되는 히트싱크에 의한 열 전달(Thermal Transient) 특성의 변화 및 히트싱크의 부착에 이용되는 히트싱크 컴파운드(heat sink compound)에 의한 열 전달 특성에 미치는 영향 등을 실험을 통하여 분석하였고, 이를 기술하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 열전달 물질인 히트싱크 컴파운드나 히트싱크가 MOSFET의 열 응답(thermal response) 특성에 주는 변화를 측정하여 재해석 해봄으로써 이들 열전달 물질이 MOSFET의 열전달 특성변화에 주는 영향을 비교 분석해 보았다.

제안 방법

구하였다. MOSFET의 열저항 및 열용량을 여러 열전달 물질에 의한 열전달 특성변화와 비교해 봄으로써 열전달 물질이 chip이나 개별소자의 열전달 특성에 미치는 영향을 분석해 보았다.
본 논문에서는 MOSFET에 일정 전압의 전압 펄스를 인가하여 열 임피던스 곡선을 측정하였고, 측정한 값을 Cauer 모델을 이용하여 누적 구조함수와 차분 구조함수 그래프를 구하여, 열저항 및 열용량을 구하였다. MOSFET의 열저항 및 열용량을 여러 열전달 물질에 의한 열전달 특성변화와 비교해 봄으로써 열전달 물질이 chip이나 개별소자의 열전달 특성에 미치는 영향을 분석해 보았다.
HK/W] 로 각각 계산되었다. 히트싱크의 크기가 MOSFET의 열선달 특성변화에 주는 영향을 분석을 통하여 확인할 수 있었다.

대상 데이터

Samp!e/OCT"408개를 조건으로 측정하였다.
열전달 특성을 측정하기 위해 사용된 소자는 n-type MOSFET인 IRFW을 이용하였으며, 비교 측정에 사용된 히트싱크(heat sink)는 그림 3과 같은 구조로 이루어져 있고, 히트싱크 컴파운드는 CASMOLY HC&X)를 이용하였다.
히트싱크의 크기에 따른 열전달 특성의 변화를 측정하기 위해서는 그림 4와 같은 5 종류의 히트싱크를 이용하였고, 각각의 히트싱크의 표면적과 부피는 표 1에 나타 4 있다. 히트싱크의 크기에 따른 열전달 툑성변화의 측정에는 열 전도성과 확산특성을 높이기 위하여 MOSFET와 히트싱크 사이에 히트싱크 컴파운드를 충부히 발라 주었다.

성능/효과

9배 큰 히트싱크가 작은 히트싱크의 열저항값에 비해 약 59% 줄어듬을 확인할 수 있었다. 그러나 히트싱크의 크기에 비례하여 열저항값이 줄어드는 폭이 일정한 것이 아니라, 표면적이 약 3배에 이르렀을때 약 55%로 감소하고, 이 이상의 크기에서는 열저항값의 감소폭이 둔화되는 것을 확인할 수 았었다. 이와 같은 방법을 이용하여 IC Chip이나 개별소자들의 적절한 히트싱크의 크기를 찾을 수 있을 것이다.
그래프이다. 측정 결과 히트싱에 의한 열 저항값의 차이는 13Q.5IK/W]로 나왔고, 히트싱크와 측정 소자 사이에 히트싱크 컴파운드를 바를 경우 이 컴파운드에 의해서 다시 8IK/W의 열 저항값의 감소함을 확인할 수 있었다.
히트싱크의 표면적의 차이에 의한 MOSFET에 발생하는 열저항값의 차이를 비교한 결과 히트싱크의 표면적이 약 3.9배 큰 히트싱크가 작은 히트싱크의 열저항값에 비해 약 59% 줄어듬을 확인할 수 있었다. 그러나 히트싱크의 크기에 비례하여 열저항값이 줄어드는 폭이 일정한 것이 아니라, 표면적이 약 3배에 이르렀을때 약 55%로 감소하고, 이 이상의 크기에서는 열저항값의 감소폭이 둔화되는 것을 확인할 수 았었다.

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