반도체 chip에 Heat sink를 왜 붙이는것인가?

방열이 중요한 이유

다음은 특정 칩의 전력 소모량을 나타낸 것이다. Core 주파수가 1600MHz인 상황에서 Junction 온도가 65도, 85도, 105도일 때 Chip에서 소모하는 전체 전력이 8.7W, 11.6W, 14.6W로 증가하는 것을 볼 수 있다. 

 

이 말은 즉 Chip의 열 방출이 중요하다는 것을 보여준다. 

Core clock이 1600MHz인 상황에서 Chip의 Junction 온도에 따라서 요구되는 전력이 다르기 때문이다. 

Core clock이 1600MHz인 상황에서 Chip이 높은 온도에서 동작을 한다면 요구되는 전력도 높다. 

따라서 Chip의 전력 소모량을 줄이기 위해서는 Chip의 온도를 낮추는 것이 필수이다. 

온도에따른전력소모량

 

Heatsink와 TIM이 붙어 있는 상황에서 열저항은 ?

프로세서, FPGA 같은 칩이 동작 중에 발생하는 열은 Conduction, Convection 열 전달 방식으로 빼낼 수 있다. 

다음과 같이  TIM(Thermal Interface Material, 써멀구리스, 써멀패드)과 Heat Sink를 같이 붙여서 사용한다.

 

위와 같이 Heat Sink, TIM, Chip까지 붙여진 상태의 열저항

 = Chip의 Conduction 열저항 + TIM Conduction 열저항 + Heat Sink의 Convection 열저항

 

Chip의 열저항 규격은 어디서 확인 할 수 있는가 ? 

프로세서나 FPGA의 데이터시트에서 열저항 성능을 확인할 수 있다. 

주로 봐야할 열저항은 junction to case, junction to ambient 이다.

 

외부 공기 온도가 30도인 상황에서 4층기판에 SMT 된 Chip에서 10W를 소모한다고 가정하자. 그렇다면 칩 내부는 몇도일까? 

데이터 시트에 나와있는 Junction과 Ambient간 열저항을 고려하자.   14.35 * 10watt = 140.35℃  

즉 외기 온도가 30도라면 칩 내부온도는 30 + 140.35 = 170.35 ℃ 이다. 반도체 칩의 온도규격은 보통 -55 ℃~105 ℃이므로,

Heat sink 없이 단독으로 chip을 구동하면, chip은 이미 Shutdown 된다. 

따라서 chip에 추가로 Heatsink를 붙여서 열을 배출하는 것이 필수이다.