IC-Überhitzung: Leitfaden zur Berechnung der Sperrschichttemperatur...

Die Temperatur, die Sie nicht direkt messen können

Jeder Halbleiter hat eine maximale Sperrschichttemperatur — typischerweise 125 °C oder 150 °C für die meisten Bauteile, manchmal 175 °C für Silizium in Automobilqualität. Überschreitet man sie, hat man es mit beschleunigter Alterung, parametrischer Drift oder regelrechtem Ausfall zu tun. Das Problem? Das Thermoelement kann nicht auf die Düse geklebt werden. Die Verbindungsstelle ist unter der Verpackung vergraben, und die Gehäusetemperatur, die Sie messen können, ist immer kühler als die, die im Inneren passiert.

Also berechnen wir es. Und wir sollten es besser richtig machen, denn das thermische Design ist einer der Bereiche, in denen ein falscher Wert von 20 °C den Unterschied zwischen einem Produkt, das zehn Jahre läuft, und einem, das in sechs Monaten stirbt, ausmachen kann.

Die Wärmewiderstandskette

Die Wärme fließt durch eine Reihe von Wärmewiderständen von der Verbindungsstelle in die Umgebung, und sie summieren sich genau wie elektrische Widerstände in Reihe. Der gesamte Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebung beträgt:

Wo $\theta_{JC}$ für Verbindung zu Gehäuse steht, steht $\theta_{CS}$ für Gehäuse zu Kühlkörper (die Schnittstelle), und $\theta_{SA}$ steht für Kühlkörper zu Umgebung. Jedes dieser Elemente hat eine echte physische Bedeutung:

Verbindungsstück zu Gehäuse ($\theta_{JC}$) : Dies wird durch das Verpackungsdesign und die Befestigung festgelegt. Sie finden es im Datenblatt, und Sie können nichts dagegen tun. Ein kleiner QFN kann 2-5 °C/W haben, während ein TO-220 der alten Schule typischerweise 0,5-1,5 °C/W hat. Das Paket ist hier von enormer Bedeutung. Gehäuse-zu-Kühlkörper ($\theta_{CS}$) : Dies ist der Wärmewiderstand der Schnittstelle — der Abstand zwischen dem Gehäuse und dem, an dem Sie es montieren. Trockenkontakt ist schrecklich, etwa 1,0 °C/W für einen TO-220. Wärmeleitpaste senkt den Wert auf etwa 0,5 °C/W ab. Wärmeleitpads sind praktisch, aber etwas schlechter als Paste, etwa 0,3 °C/W bei guten. Durch die direkte Lötmontage auf einer Kupferplatte sinken Sie auf 0,1 °C/W oder weniger. Kühlkörper-Umgebungstemperatur ($\theta_{SA}$) : Dies hängt von der Größe des Kühlkörpers, der Lamellengeometrie und dem Luftstrom ab. Ein bloßer TO-220, der in ruhiger Luft steht, kann 50 °C/W haben. Fügen Sie einen kleinen, aufsteckbaren Kühlkörper hinzu und schon sind Sie bei 20 °C/W. Ein richtig gerippter Kühlkörper bringt Sie auf 5-10 °C/W. Wenn Sie etwas Luft drüber drücken, können Sie 2 °C/W oder weniger erreichen.

Sobald Sie die Summe von $\theta_{JA}$ erreicht haben, ist die Sperrschichttemperatur einfach:

Das war's. Die Verlustleistung und der Wärmewiderstand erhöhen die Umgebungstemperatur.

Ein praktisches Beispiel: LDO-Regler in einem Industriegehäuse

Nehmen wir an, Sie konstruieren mit einem linearen Regler, der bei 200 mA 12 V auf 5 V absenkt. Die Verlustleistung ist einfach:

Das ist viel für ein kleines SOT-223-Paket. Im Datenblatt steht $\theta_{JC}$= 15°C/W (typisch für diesen Paketstil). Sie löten es mit einer ordentlichen Kupferschicht auf eine Platine, also nennen wir $\theta_{CS}$= 0,3 °C/W. Die Platine selbst fungiert als Kühlkörper — kein externer Kühlkörper — also entspricht $\theta_{SA}$ vielleicht 25 °C/W, wenn Sie eine vernünftige Massefläche haben.

Gesamter thermischer Widerstand:

Da es sich um eine industrielle Anwendung handelt, kann die Umgebungstemperatur im Gehäuse auf 40 °C steigen. Sperrschichttemperatur:

Wenn das Teil für max. 125 °C ausgelegt ist, liegt Ihr thermischer Spielraum bei 125 — 96,4 = 28,6 °C. Das klingt okay, ist aber in Wirklichkeit marginal. Bei Umgebungstemperatur kann es zu höheren Spitzenwerten als dem Nennwert kommen, die Verlustleistung nimmt zu, wenn die Eingangsspannung ansteigt, und die in den Datenblättern angegebenen Werte für den Wärmewiderstand sind optimistisch. Ich würde für ein Produkt, das lange halten muss, einen Spielraum von mindestens 30—40 °C haben wollen.

Sie können den Junction Temperature Calculator öffnen und diese Zahlen direkt eingeben. Er gibt Ihnen auch die Zwischentemperaturen — Gehäuse und Kühlkörperoberfläche — an, was für die Überprüfung nützlich ist. Wenn Sie die Gehäusetemperatur mit einem Thermoelement messen können, können Sie Ihr thermisches Modell auf ihre Richtigkeit überprüfen.

Was ist, wenn wir einen Kühlkörper hinzufügen?

Dasselbe Szenario, aber jetzt schrauben wir einen kleinen Aluminiumkühlkörper mit $\theta_{SA}$= 10°C/W an und verwenden Wärmeleitpaste für die Schnittstelle ($\theta_{CS}$= 0,5°C/W):

Der thermische Spielraum steigt auf fast 50 °C. Viel besser. Der Kühlkörper kostet vielleicht 0,30$ und schützt Sie vor einer Ausfallrate vor Ort, die Tausende von Garantierücksendungen kosten würde.

Warum Datenblatt $\theta_{JA}$ normalerweise nutzlos ist

In den meisten Datenblättern ist ein $\theta_{JA}$-Wert angegeben, und die meisten Ingenieure verwenden ihn direkt. Das ist ein Fehler.

Diese Zahl stammt von einer JEDEC-Standardtestplatine — in der Regel eine 4-lagige Leiterplatte mit bestimmten Kupferbereichen, die an ruhiger Luft in einer kontrollierten Umgebung getestet wurde. Ihre eigentliche Platine hat wahrscheinlich eine andere Kupferabdeckung, einen anderen Lagenaufbau, einen anderen Luftstrom und Komponenten in der Nähe, die Wärme hinzufügen. Das Datenblatt $\theta_{JA}$ mag 40 °C/W betragen, aber Ihr realer Wert könnte je nach Layout problemlos 60 °C/W oder 30 °C/W betragen.

Der Wert von Verbindung zu Gehäuse ($\theta_{JC}$) ist viel zuverlässiger, da er eine Eigenschaft des Gehäuses selbst ist, nicht der Leiterplatte. Wenn Sie ernsthaft mit der thermischen Planung beginnen, orientieren Sie sich an $\theta_{JC}$ und schätzen Sie den Rest der Kette anhand Ihrer tatsächlichen Montagesituation ab.

Häufige Fehler und Fallstricke

Wir vergessen, dass die Umgebungstemperatur nicht die Raumtemperatur ist

„Umgebungstemperatur“ bezeichnet die Lufttemperatur direkt neben dem Bauteil, nicht die Raumtemperatur. In einem Gehäuse mit anderen Wärmequellen kann die Umgebungstemperatur leicht um 15 bis 20 °C höher sein als die Außenluft. Ich habe gesehen, wie Techniker die Sperrschichttemperatur anhand von 25 °C Umgebungstemperatur für ein System berechnet haben, das sich in einer versiegelten Box befindet, in der sich ein 10-W-Prozessor daneben befindet. Die tatsächliche Umgebungstemperatur in der Nähe des Reglers lag eher bei 55 °C.

Der thermische Widerstand der Schnittstelle wird ignoriert

Die Leute sind besessen von der Auswahl des Kühlkörpers und schrauben ihn dann ohne Wärmeleitpaste an. Bei einem trockenen Kontakt zwischen Metall und Metall können zusätzliche Temperaturen von 1—2 °C/W entstehen, was bei einer Verlustleistung von 10 W zusätzliche 10—20 °C an der Verbindungsstelle bedeutet. Das ist der Unterschied zwischen sicherem Betrieb und thermischer Abschaltung. Verwenden Sie immer Wärmeleitmaterial. Immer.

Geht von einem Steady-State aus, wenn das nicht der Fall ist

Die obigen Berechnungen gehen von einem thermischen Gleichgewicht aus — alles hat sich erwärmt und stabilisiert. Wenn Ihre Last pulsiert oder stark schwankt, spielt die thermische Masse des Systems eine Rolle. Ein kurzer Hochleistungsimpuls erwärmt die Verbindungsstelle möglicherweise nicht stark, wenn das Gehäuse über eine ausreichende Wärmekapazität verfügt. Umgekehrt kann eine Komponente eine kurze Überlastung überstehen, aber ausfallen, wenn diese Überlastung lange genug anhält, um den stationären Zustand zu erreichen. Der Rechner liefert Ergebnisse im stationären Zustand. Dies ist der schlechteste Fall für Dauerbetrieb, aber nicht unbedingt für transiente Ereignisse.

Kühlkörper-Bewertungen ohne Kontext vertrauen

Ein Kühlkörper mit einer Nennleistung von 5 °C/W wurde wahrscheinlich unter idealen Bedingungen getestet. Er wurde vertikal montiert, wobei die Lamellen für natürliche Konvektion ausgerichtet sind, in ruhiger Luft, sodass nichts in der Nähe den Luftstrom blockiert. Montieren Sie ihn horizontal, drücken Sie ihn an eine Wand oder stellen Sie ihn in ein enges Gehäuse, und aus 5 °C/W werden 8 oder 10 °C/W. Die Werte für die erzwungene Belüftung hängen noch stärker von der tatsächlich erreichten Luftstromgeschwindigkeit ab.

Es bleibt nicht genug Spielraum

Die maximale Sperrschichttemperatur im Datenblatt ist genau das — das Maximum. Der kontinuierliche Betrieb gemäß $T_{J,max}$ reduziert die Lebensdauer der Komponenten erheblich. Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass sich die Ausfallrate bei jedem Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 °C ungefähr verdoppelt. Wenn Sie bei 125 °C statt 105 °C laufen, kann sich Ihre MTBF halbieren. Die meisten Designs, die Wert auf Zuverlässigkeit legen, zielen darauf ab, 20 bis 30 °C unter dem Nennwert zu liegen.

Auch Zwischentemperaturen sind wichtig

Der Rechner gibt auch die Gehäusetemperatur und die Kühlkörpertemperatur aus. Diese sind nicht nur akademisch — sie sind das, was man tatsächlich messen kann.

Die Gehäusetemperatur gibt an, was ein Thermoelement auf der Verpackung anzeigen würde. Wenn Ihre berechnete Gehäusetemperatur 85 °C beträgt, Sie aber 95 °C messen, ist Ihr thermisches Modell irgendwo falsch. Vielleicht ist der Schnittstellenwiderstand höher als erwartet, oder der Kühlkörper funktioniert nicht wie vorgesehen.

Die Kühlkörpertemperatur ist nützlich, um die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften zu gewährleisten. Bei vielen Produkten gelten Grenzwerte für berührbare Oberflächentemperaturen — typischerweise 45 °C bei kontinuierlichem Hautkontakt. Wenn Ihr Kühlkörper exponiert ist und berührt werden könnte, müssen Sie wissen, welche Temperatur er hat.

Wenn natürliche Konvektion nicht ausreicht

Manchmal rechnest du nach und stellst fest, dass es keinen passiven Kühlkörper gibt, der deinen Einschränkungen entspricht. Ein 20-W-Gerät mit einer zulässigen Temperaturerhöhung von 50 °C benötigt $\theta_{JA}$ unter 2,5 °C/W. Das ist aggressiv für natürliche Konvektion.

Druckluft verändert alles. Selbst ein sanfter Luftstrom von 1—2 m/s kann den Wärmewiderstand des Kühlkörpers um 60-70% senken. Ein kleiner Lüfter kann Ihren $\theta_{SA}$ von 10 °C/W auf 2 °C/W herunterfahren. Der Kompromiss besteht in Geräusch, Zuverlässigkeit (Lüfter fallen aus) und Stromverbrauch. Aber manchmal ist es die einzige Option, die passt.

Versuch es

Das thermische Design gehört zu den Dingen, die sich beim Prototyping leicht von Hand bewegen lassen und in der Produktion mühsam zu reparieren sind. Öffnen Sie den Junction Temperature Calculator und überprüfen Sie Ihre Zahlen, bevor Sie sich für ein Leiterplattenlayout entscheiden. Wählen Sie Ihre Umgebungstemperatur danach aus, wo das Produkt tatsächlich funktioniert, und nicht darauf, wo Sie es testen. Verwenden Sie realistische Werte für die Schnittstelle und den Kühlkörper. Und lassen Sie Spielraum — Ihr zukünftiges Ich wird es Ihnen danken, wenn das Produkt nicht mit ausgebrannten Reglern vom Feld zurückkommt.