Sobrecalentamiento de circuitos integrados: guía para el cálculo de la temperatura de las uniones...

La temperatura que no se puede medir directamente

Cada semiconductor tiene una temperatura de unión máxima, normalmente de 125 °C o 150 °C para la mayoría de las piezas, a veces 175 °C para el silicio de uso automotriz. Si lo superas, te enfrentarás a un envejecimiento acelerado, a una desviación paramétrica o a una falla total. ¿Cuál es el problema? No puedes poner un termopar en el dado. La unión está oculta bajo el embalaje y la temperatura de la caja que puedes medir siempre es inferior a la que ocurre en su interior.

Así que la calculamos. Y más vale que lo hagamos bien, porque el diseño térmico es una de esas áreas en las que un error de 20 °C puede marcar la diferencia entre un producto que dura diez años y otro que muere en seis meses.

La cadena de resistencia térmica

El calor fluye desde la unión hasta el ambiente a través de una serie de resistencias térmicas, que se suman exactamente como las resistencias eléctricas en serie. La resistencia térmica total desde la unión hasta la temperatura ambiente es:

Donde $\theta_{JC}$ es de unión a carcasa,$\theta_{CS}$ es de carcasa a disipador térmico (la interfaz) y $\theta_{SA}$ es de disipador térmico a ambiente. Cada una de ellas tiene un significado físico real:

De unión a caja ($\theta_{JC}$) : Esto se establece según el diseño del paquete y la fijación con el troquel. Lo obtienes de la hoja de datos y no hay nada que puedas hacer al respecto. Un QFN pequeño puede oscilar entre 2 y 5 °C/W, mientras que un TO-220 de la vieja escuela suele oscilar entre 0,5 y 1,5 °C/W. El paquete es muy importante en este caso. De la carcasa al disipador térmico (artículo 10) : se trata de la resistencia térmica de la interfaz, es decir, el espacio entre el paquete y el elemento en el que se vaya a montar. El contacto en seco es terrible, alrededor de 1,0 °C/W para un TO-220. La pasta térmica lo reduce a aproximadamente 0,5 °C/W. Las almohadillas térmicas son prácticas, pero son un poco peores que la pasta, alrededor de 0,3 °C/W para unas buenas. El montaje mediante soldadura directa en un plano de cobre reduce la temperatura a 0,1 °C/W o menos. Del disipador térmico al ambiente ($\theta_{SA}$) : Esto depende del tamaño del disipador térmico, la geometría de las aletas y el flujo de aire. Un TO-220 desnudo parado en el aire en reposo puede medir 50 °C/W. Añade un pequeño disipador térmico con clip y estarás a 20 °C/W. Un disipador térmico con aletas adecuado permite alcanzar entre 5 y 10 °C/W. Pon un poco de aire sobre él y podrás alcanzar los 2 °C/W o menos.

Una vez que tengas el total de $\theta_{JA}$, la temperatura de unión es simplemente:

Eso es todo. La disipación de energía multiplicada por la resistencia térmica hace que la temperatura aumente por encima de la ambiente.

Un ejemplo práctico: un regulador LDO en una carcasa industrial

Supongamos que está diseñando con un regulador lineal que baja de 12 V a 5 V a 200 mA. La disipación de energía es sencilla:

Eso es mucho para un paquete SOT-223 pequeño. La hoja de datos dice que $\theta_{JC}$= 15°C/W (típico de este estilo de paquete). Lo estás soldando a una PCB con un caudal de cobre decente, así que digamos que $\theta_{CS}$= 0,3°C/W. La propia PCB actúa como disipador térmico, no como disipador térmico externo, por lo que $\theta_{SA}$ es tal vez 25°C/W si tienes un plano de tierra razonable.

Resistencia térmica total:

Se trata de una aplicación industrial, por lo que la temperatura ambiente podría alcanzar los 40 °C dentro de la carcasa. Temperatura de unión:

Si la pieza tiene una capacidad nominal de 125 °C como máximo, su margen térmico es de 125 a 96,4 = 28,6 °C. No hay problema, pero en realidad es marginal. La temperatura ambiente puede ser superior a la nominal, la disipación de energía aumenta si la tensión de entrada aumenta y las cifras de resistencia térmica de las hojas de datos son optimistas. Me gustaría tener un margen de al menos 30 a 40 °C para un producto que necesita durar.

Puedes abrir la calculadora de temperatura de unión e introducir estos números directamente. También te indicará las temperaturas intermedias (superficie de la carcasa y del disipador térmico), lo que resulta útil para la verificación. Si puedes medir la temperatura de la carcasa con un termopar, puedes comprobar la integridad de tu modelo térmico.

¿Qué pasa si añadimos un disipador térmico?

El mismo escenario, pero ahora colocamos un pequeño disipador térmico de aluminio con un diámetro de 16 grados = 10 °C/W y utilizamos pasta térmica para la interfaz (17 grados = 0,5 °C/W):

T_J = 40 + (1,4 × 25,5) = 40 + 35,7 = 75,7 °C

El margen térmico sube a casi 50 °C. Mucho mejor. El disipador térmico cuesta unos 0,30 USD y le ahorra una tasa de fallos de campo que costaría miles de dólares en devoluciones en garantía.

Por qué la hoja de datos $\theta_{JA}$ suele ser inútil

La mayoría de las hojas de datos incluyen un valor $\theta_{JA}$ y la mayoría de los ingenieros lo utilizan directamente. Esto es un error.

Ese número proviene de una placa de prueba estándar JEDEC, generalmente una PCB de 4 capas con áreas de cobre específicas, probada en aire quieto en un ambiente controlado. Es probable que su placa actual tenga una cobertura de cobre diferente, un apilamiento de capas diferente, un flujo de aire diferente y componentes cercanos que añaden calor. La hoja de datos $\theta_{JA}$ puede ser de 40 °C/W, pero tu valor real podría fácilmente ser de 60 °C/W o 30 °C/W, según tu diseño.

El valor de unión a caja ($\theta_{JC}$) es mucho más fiable porque es una propiedad del paquete en sí, no de la PCB. Si estás realizando un diseño térmico serio, construye partiendo del artículo 22 y calcula el resto de la cadena en función de tu situación de montaje real.

Errores y errores comunes

Olvidar que la temperatura ambiente no es la temperatura ambiente

«Ambiente» se refiere a la temperatura del aire justo al lado del componente, no a la temperatura ambiente. Dentro de una carcasa con otras fuentes de calor, la temperatura ambiente puede ser fácilmente de 15 a 20 °C más alta que la del aire exterior. He visto a ingenieros calcular la temperatura de unión utilizando una temperatura ambiente de 25 °C para un sistema que se encuentra en una caja sellada con un procesador de 10 W al lado. La temperatura ambiente real cerca del regulador estaba cerca de los 55 °C.

Ignorando la resistencia térmica de la interfaz

La gente se obsesiona con la selección de un disipador térmico y luego lo atorna sin ningún compuesto térmico. Un contacto seco de metal a metal puede añadir entre 1 y 2 °C/W, lo que con una disipación de 10 W significa entre 10 y 20 °C más en la unión. Esa es la diferencia entre un funcionamiento seguro y un apagado térmico. Utilice siempre material de interfaz térmica. Siempre.

Asumir un estado estacionario cuando no lo es

Los cálculos anteriores asumen el equilibrio térmico: todo se ha calentado y estabilizado. Si la carga es pulsátil o varía considerablemente, la masa térmica del sistema es importante. Es posible que un pulso corto de alta potencia no caliente mucho la unión si el paquete tiene suficiente capacitancia térmica. Por el contrario, un componente puede sobrevivir a una sobrecarga breve, pero fallar si esa sobrecarga dura lo suficiente como para alcanzar el estado estacionario. La calculadora proporciona resultados en estado estacionario, que es el peor caso para un funcionamiento continuo, pero no necesariamente para eventos transitorios.

Confiar en las clasificaciones de los disipadores térmicos sin contexto

Un disipador térmico con una potencia nominal de 5 °C/W probablemente se probó en condiciones ideales: montado verticalmente con las aletas orientadas a la convección natural, en aire quieto y sin ningún elemento cercano que bloqueara el flujo de aire. Colóquelo horizontalmente, colóquelo contra una pared o colóquelo en una carcasa estrecha, y esos 5 °C/W se convierten en 8 o 10 °C/W. La clasificación del aire forzado depende aún más de la velocidad real del flujo de aire que se alcance.

¿No se deja suficiente margen

La temperatura máxima de unión de la hoja de datos es exactamente eso: la máxima. El funcionamiento continuo a T (J, máx.) reduce drásticamente la vida útil de los componentes. La ecuación de Arrhenius indica que la tasa de fallos prácticamente se duplica por cada aumento de 10 °C en la temperatura de la unión. Funcionar a 125 °C en lugar de a 105 °C puede reducir el tiempo medio entre medias. La mayoría de los diseños que se preocupan por la fiabilidad tienen como objetivo situarse entre 20 y 30 °C por debajo del máximo nominal.

Las temperaturas intermedias también importan

La calculadora también muestra la temperatura de la carcasa y la temperatura del disipador térmico. No son solo académicos, son lo que realmente se puede medir.

La temperatura de la caja indica lo que indicaría un termopar en el envase. Si la temperatura calculada de la caja es de 85 °C pero tú mides 95 °C, tu modelo térmico es incorrecto en alguna parte. Es posible que la resistencia de la interfaz sea mayor de lo esperado o que el disipador no esté funcionando según lo previsto.

La temperatura del disipador térmico es útil para cumplir con las normas de seguridad. Muchos productos tienen límites en cuanto a la temperatura de las superficies que se pueden tocar, normalmente 45 °C para el contacto continuo con la piel. Si el disipador térmico está expuesto y se puede tocar, debes conocer su temperatura.

Cuando la convección natural no es suficiente

A veces haces los cálculos y te das cuenta de que no hay un disipador de calor pasivo que se adapte a tus limitaciones. Un dispositivo de 20 W con una elevación admisible de 50 °C necesita una temperatura inferior a 2,5 °C/W. Esto es agresivo para la convección natural.

El aire forzado lo cambia todo. Incluso un flujo de aire suave de 1 a 2 m/s puede reducir la resistencia térmica del disipador entre un 60 y un 70%. Un ventilador pequeño puede reducir la temperatura de su dispositivo $\theta_{SA}$ de 10 °C/W a 2 °C/W. La desventaja es el ruido, la fiabilidad (los ventiladores fallan) y el consumo de energía. Sin embargo, a veces es la única opción que cabe.

Pruébalo

El diseño térmico es una de esas cosas fáciles de manipular a mano durante la creación de prototipos y difíciles de arreglar en la producción. Abre la calculadora de temperatura de unión y calcula tus cálculos antes de decidirte a diseñar una placa. Elige la temperatura ambiente basándote en el lugar en el que funciona realmente el producto, no en el lugar en el que lo vayas a probar. Usa valores realistas de interfaz y disipador térmico. Y deja un margen: tu yo del futuro te lo agradecerá cuando el producto no salga del campo con los reguladores agotados.