Rechner für Sperrschichttemperatur und Wärmewiderstand
Geben Sie Verlustleistung, Umgebungstemperatur und die Wärmewiderstände aus dem Datenblatt ein, um die Sperrschichttemperatur Tj im Chip abzuschätzen. Verglichen werden zwei Fälle, ohne Kühlkörper (θJA) und mit Kühlkörper (θJC + θCS + θSA), jeweils mit der Reserve bis zur maximalen Sperrschichttemperatur und der damit zulässigen maximalen Leistung.
Ergebnisse
Sperrschichttemperatur Tj
Reserve bis Tj(max)
Maximale Leistung
Ohne Kühlkörper (θJA)
–
–
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Mit Kühlkörper (–)
–
–
–
Stationäre Werte aus Tj = Ta + P × θ; die maximale Leistung ist (Tj(max) − Ta) ÷ θ. Transiente Erwärmung durch kurze Leistungspulse ist nicht berücksichtigt. θJA hängt stark von Platine und Luftstrom ab und ist daher nur als Richtwert zu verstehen.
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Die übrigen Eingaben bleiben auf ihren aktuellen Werten, während die gewählte Eingabe zwischen dem 1/4- und 4-Fachen ihres aktuellen Werts variiert. Der rote Punkt ist der aktuelle Wert.
Wärmewiderstand funktioniert wie ein elektrischer Stromkreis
Die im Chip umgesetzte Leistung wird zu Wärme, die von der Sperrschicht durch das Gehäuse und die Platine oder den Kühlkörper an die Umgebungsluft fließt. Der Wärmewiderstand θ ist die Temperaturdifferenz pro Watt Wärmestrom, in °C/W. Setzt man die Temperaturdifferenz einer Spannung und den Wärmestrom einem Strom gleich, ergibt sich ein ohmsches Gesetz, ΔT = P × θ, und in Reihe liegende Widerstände addieren sich einfach. Die Sperrschichttemperatur ist daher Tj = Ta + P × θJA. Mit den Standardwerten P = 1 W, Ta = 25 °C und θJA = 50 °C/W ergibt sich Tj = 75 °C, also 50 °C Reserve bis zu einer Tj(max) von 125 °C.
Warum θJA von der Platine abhängt, und ψJT
θJA ist keine Eigenschaft des Gehäuses allein. Der Wert ändert sich stark mit Platinengröße, Anzahl der Kupferlagen, Kupferfläche und Luftstrom. Die meisten Datenblattwerte werden auf einer JEDEC-Standardtestplatine in ruhender Luft gemessen und eignen sich daher am besten zum Vergleich von Gehäusen. In einem realen Produkt verteilt sich die Wärme über das Kupfer der Platine, und θJA kann höher oder niedriger als der Tabellenwert sein. In einem realen System wird Tj häufig aus der gemessenen Temperatur der Gehäuseoberseite Tt als Tj = Tt + P × ψJT abgeschätzt. Da nicht die gesamte Wärme über die Oberseite abgeführt wird, heißt ψJT thermischer Charakterisierungsparameter und nicht Wärmewiderstand.
Die Kühlkörperkette und das Interface-Material
Mit Kühlkörper fließt die Wärme hauptsächlich von der Sperrschicht zum Gehäuse, vom Gehäuse zum Kühlkörper und vom Kühlkörper an die Umgebung, sodass die Summe θJC + θCS + θSA beträgt. θJC ist gehäuseintern und im Datenblatt angegeben. θCS ist der Kontakt zwischen Gehäuse und Kühlkörper; winzige Luftspalte zwischen den rauen Oberflächen behindern den Wärmefluss, daher füllt man sie mit einem thermischen Interface-Material (TIM) wie Wärmeleitpaste oder einem Wärmeleitpad. θSA hängt von der Größe des Kühlkörpers, der Rippenform und dem Luftstrom ab. Die Standardwerte ergeben zusammen 4,5 °C/W, also Tj = 29,5 °C bei 1 W und eine maximale Leistung von etwa 22,2 W.
Derating und Auslegungsreserve
Bei Silizium-ICs und Leistungshalbleitern liegt Tj(max) meist bei 125 °C oder 150 °C, und die zulässige Leistung ist Pmax = (Tj(max) − Ta) ÷ θ. Da die Reserve mit steigender Umgebungstemperatur schrumpft, enthalten Datenblätter eine Derating-Kurve, die die zulässige Leistung linear mit der Umgebungstemperatur absenkt. Mit θJA = 50 °C/W und Tj(max) = 125 °C liegt die Grenze zum Beispiel bei 25 °C bei 2,0 W, bei 85 °C aber nur bei 0,8 W. Höhere Sperrschichttemperaturen erhöhen außerdem die Ausfallrate und verkürzen die Lebensdauer, daher sehen reale Designs meist zusätzliche Reserve vor, statt direkt an Tj(max) zu arbeiten.
ADer Wert hängt nur vom Aufbau des Gehäuses ab und ändert sich nicht, egal auf welcher Platine das Bauteil montiert ist
BJe größer die Kupferfläche der Platine, desto mehr staut sich die Wärme, und θJA wird größer
CDer Wert wurde auf einer Testplatine gemessen und ändert sich daher stark mit Kupferfläche und Lagenzahl der realen Platine sowie mit der Luftströmung
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Antwort: C. Der Wert wurde auf einer Testplatine gemessen und ändert sich daher stark mit Kupferfläche und Lagenzahl der realen Platine sowie mit der Luftströmung
θJA wird gemessen, indem das IC auf einer in Normen wie JEDEC festgelegten Testplatine montiert und in einer Kammer ohne Luftströmung betrieben wird. Ein Großteil der Wärme fließt vom Gehäuse über die Anschlüsse und das Pad auf der Unterseite in die Platine, daher hängt θJA stark von der Platine ab. Selbst beim gleichen Gehäuse kann der Unterschied zwischen einer kleinen einlagigen Platine und einer Mehrlagenplatine mit vielen Kupferflächen fast das Doppelte betragen. Vergrößert man die Kupferfläche oder sorgt für Luftströmung, wird θJA kleiner (bessere Wärmeabfuhr). Den Datenblattwert betrachtet man als Richtwert zum Vergleich und prüft im realen Gerät durch Temperaturmessung.
Die Sperrschichttemperatur ergibt sich aus Tj = Ta + P × θJA. Nach P aufgelöst: P = (Tj(max) − Ta)/θJA = (125 − 85)/50 = 0,8 W. Je höher die Umgebungstemperatur, desto kleiner der zulässige Temperaturanstieg und damit die zulässige Leistung. 2,5 W ist der Fehler, die Umgebungstemperatur nicht abzuziehen (125/50), 1,7 W der Fehler, 85/50 zu rechnen. In der Praxis legt man den Entwurf auf eine geringere Leistung als den berechneten Wert aus, da θJA von der Platine abhängt und eine Derating-Reserve berücksichtigt werden muss.
AθJA (Sperrschicht–Umgebung) aus dem Datenblatt plus den Wärmewiderstand Kühlkörper–Umgebung
BDie Summe aus θJC, dem Kontaktwärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper und dem Wärmewiderstand Kühlkörper–Umgebung
CNur θJA (Sperrschicht–Umgebung) aus dem Datenblatt; der Wert ändert sich auch mit Kühlkörper nicht
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Antwort: B. Die Summe aus θJC, dem Kontaktwärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper und dem Wärmewiderstand Kühlkörper–Umgebung
θJC ist der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Wärmeabgabefläche des Gehäuses (Case), gemessen bei konstant gehaltener Gehäusetemperatur. Mit Kühlkörper fließt der Großteil der Wärme vom Gehäuse in den Kühlkörper; man addiert daher θJC, den Kontaktwärmewiderstand θCS etwa der Silikon-Wärmeleitpaste und den Wärmewiderstand θSA des Kühlkörpers in Reihe. Beispielsweise ergibt 1,0 + 0,5 + 3,0 = 4,5 °C/W bei 10 W Verlustleistung einen Temperaturanstieg von 45 °C. θJA wird ohne Kühlkörper auf einer Testplatine gemessen und ist in diesem Fall nicht verwendbar.
Bei Silizium-Leistungsbauelementen ist eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 °C oder 175 °C üblich. Wird sie überschritten, steigt der Leckstrom stark, ein thermisches Durchgehen wird wahrscheinlich, und die Lebensdauer verkürzt sich erheblich. Im Entwurf wird gegenüber dem Maximalwert Reserve gelassen (z. B. Betrieb bei etwa 125 °C). SiC hält als Material auch 300 °C und mehr aus, doch die Wärmebeständigkeit von Gehäusematerialien wie Lot, Draht und Harz ist praktisch die Einschränkung.
Häufige Fragen
Wann verwende ich θJA und wann θJC?
θJA ist der Widerstand Sperrschicht–Umgebung, wenn das Bauteil ohne Kühlkörper über die Platine und die umgebende Luft gekühlt wird. θJC ist der Widerstand Sperrschicht–Gehäuse, den man bei montiertem Kühlkörper zu θCS und θSA addiert. θSA bei einem Design mit Kühlkörper zu θJA zu addieren, ist ein Fehler.
Welche Leistung ist bei Tj(max) = 125 °C, θJA = 50 °C/W und Ta = 85 °C zulässig?
Pmax = (125 − 85) ÷ 50 = 0,8 W. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C läge die Grenze bei (125 − 25) ÷ 50 = 2,0 W; in heißerer Umgebung ist also weniger Leistung zulässig.
Warum passt das θJA aus dem Datenblatt nicht zu meiner Platine?
θJA wird unter festen Bedingungen gemessen, etwa auf einer JEDEC-Standardtestplatine, und ändert sich stark mit Platinengröße, Kupferlagen und Luftstrom. In realen Systemen wird die Sperrschichttemperatur oft mithilfe von ψJT aus der gemessenen Temperatur der Gehäuseoberseite abgeschätzt.