接合部温度

接合温度（トランジスタ接合温度の略）^[1]は、電子デバイス内の実際の半導体の最高動作温度です。動作中は、ケース温度や部品の外部温度よりも高くなります。その差は、接合部からケースに伝達される熱量に接合部からケースへの熱抵抗を掛けたものに等しくなります。

半導体材料のさまざまな物理的特性は温度に依存します。これには、ドーパント元素の拡散速度、キャリア移動度、電荷キャリアの熱生成が含まれます。温度が低い場合、センサーダイオードのノイズは極低温冷却によって低減できます。温度が高い場合、結果として生じる局所的な電力消費の増加により、一時的または永続的なデバイス障害を引き起こす可能性のある熱暴走が発生する可能性があります。

最大接合温度( TJMaxと略されることもあります) は部品のデータシートに指定されており、特定の電力消費に必要なケースから周囲までの熱抵抗を計算するときに使用されます。これは、該当する場合は適切なヒートシンクを選択するために使用されます。その他の冷却方法には、熱電冷却と冷却剤があります。

Intel、AMD、Qualcommなどのメーカーの最新プロセッサでは、コア温度はセンサーネットワークによって測定されます。温度検知ネットワークが指定された接合部温度（）を超える上昇が差し迫っていると判断するたびに、クロックゲーティング、クロックストレッチ、クロック速度低下などの対策（一般にサーマルスロットリングと呼ばれる）が適用され、温度がさらに上昇するのを防ぎます。適用されたメカニズムがプロセッサを接合部温度以下に抑えるのに十分でない場合、デバイスは永久的な損傷を防ぐためにシャットダウンすることがあります。^[2]${\displaystyle T_{J}}$

チップ接合部温度の推定値は次の式から得られる：^[3]${\displaystyle T_{J}}$

${\displaystyle T_{J}=T_{A}+(R_{\theta JA}P_{D})}$

ここで: = パッケージの周囲温度 [°C] ${\displaystyle T_{A}}$

${\displaystyle R_{\theta JA}}$= 接合部から周囲までの熱抵抗 [°C / W]

${\displaystyle P_{D}}$= パッケージ内の消費電力 [W]

多くの半導体とその周囲の光学系は小さいため、熱電対や赤外線カメラなどの直接的な方法で接合部温度を測定することは困難です。

接合部温度は、デバイス固有の電圧/温度依存特性を使用して間接的に測定できます。JESD 51-1 や JESD 51-51 などのJoint Electron Device Engineering Council (JEDEC)技術と組み合わせると、この方法で正確な測定値が得られます。ただし、この測定技術は、コモンモード電圧が高く、高速で高デューティサイクルの電流パルスが必要なため、複数の LED直列回路に実装するのは困難です。この困難は、高速サンプリング デジタル マルチメータと高速で高コンプライアンスのパルス電流源を組み合わせることで克服できます。^[4]${\displaystyle T_{J}}$

接合部温度がわかれば、もう 1 つの重要なパラメータである熱抵抗 (Rθ) を次の式を使用して計算できます。

${\displaystyle R_{\theta }={\frac {\Delta T}{V_{f}I_{f}}}}$

LEDまたはレーザーダイオードの接合温度 (Tj) は、長期的な信頼性を決定する主な要因であり、測光測定の重要な要素でもあります。たとえば、一般的な白色 LED の出力は、接合温度が 50 °C 上昇すると 20% 低下します。この温度感度のため、 IESNAの LM-85などの LED 測定規格では、測光測定を行う際に接合温度を測定することが義務付けられています。^[5]

これらのデバイスでは、LM-85で規定されている連続パルス試験法を使用することで、接合部の加熱を最小限に抑えることができます。オスラムの黄色LEDでLIスイープを実施したところ、シングルパルス試験法の測定では光束出力が25%低下し、DC試験法の測定では70%低下することが示されました。^[6]

• 安全動作領域
• PN接合
• 金属半導体接合