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Thermal

Calculadora de Temperatura de Unión

Calcula la temperatura de unión de semiconductores en función de la potencia disipada y las resistencias térmicas.

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Fórmula

TJ=TA+PD⋅(θJC+θCS+θSA)T_J = T_A + P_D \cdot (\theta_{JC} + \theta_{CS} + \theta_{SA})
T_J— Temperatura de unión (°C)
T_A— Temperatura ambiente (°C)
P_D— Disipación de potencia (W)
θ_JC— Resistencia térmica entre la unión y la caja (°C/W)
θ_CS— Resistencia térmica entre la carcasa y el disipador (°C/W)
θ_SA— Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (°C/W)

Cómo Funciona

Junction temperature calculator computes semiconductor die temperature from power dissipation and thermal resistance path — essential for reliability analysis, [heatsinkselection](/calculators/thermal/heatsink-selection/), and derating calculations. Power electronics engineers, thermal designers, and reliability engineers use this to predict device lifetime and prevent thermal failure. Per JEDEC JESD51-1, junction temperature Tj = Ta + Pd × (θJC + θCS + θSA), where θJC is junction-to-case (0.5-5°C/W for power packages), θCS is case-to-sink (0.1-1°C/W depending on interface), and θSA is sink-to-ambient (1-20°C/W for heatsinks). Exceeding Tj(max) by 10°C halves device lifetime per Arrhenius equation; operating at Tj(max) - 25°C doubles lifetime. TO-220 packages have θJC = 1-2°C/W; D²PAK has θJC = 0.5-1°C/W; QFN packages have θJC = 2-10°C/W depending on exposed pad area.

Ejemplo Resuelto

Calcule la temperatura de unión para la conmutación MOSFET IRFZ44N de 10 A a 12 V con un ciclo de trabajo del 50% en el paquete TO-220. De la hoja de datos: Rds (encendido) = 22mΩ at Tj = 25 °C, θJC = 1°C/W, Tj (máx.) = 175 °C. Pérdida de conducción: P_cond = I² × Rds (encendido) × D = 10² × 0.022 × 0.5 = 1,1W. Pérdida de conmutación a 100 kHz: P_sw ≈ 0,5 W (estimada a partir de Qg × Vds × f). Pd total = 1,6 W. Con clip TO-220 disipador térmico (θSA = 12°C/W) y pasta térmica (θCS = 0,5°C/W): Tj = 40 °C + 1,6 W × (1 + 0,5 + 12) = 40 °C + 21,6 °C = 61,6 °C. Esto está 113 °C por debajo de Tj (máx.), lo que proporciona un margen de fiabilidad excelente. Nota: El Rds (encendido) aumenta 1,5 veces a Tj = 100 °C; vuelve a calcular de forma iterativa para obtener resultados precisos.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice Tj (max) - 25 °C como objetivo de diseño para una confiabilidad de 10 años; según el JEDEC JEP122H, esto proporciona un margen de vida útil 2 veces mayor en comparación con operar a Tj (máx.)
  • ✓Materiales de interfaz térmica: grasa de silicona (0,1 °C/W), almohadillas térmicas (0,3-1 °C/W), materiales de cambio de fase (0,05 °C/W); seleccione según los requisitos de ensamblaje
  • ✓Para paquetes SMD sin disipador térmico, se aplica la hoja de datos de θJA on: valores típicos: SOT-23 = 250 °C/W, SOIC-8 = 125 °C/W, QFN-16 = 40 °C/W con almohadilla soldada a la vista

Errores Comunes

  • ✗El uso de θJA en lugar de θJC + θCS + θSA — θJA supone que no hay disipador térmico y que hay aire en calma; la trayectoria térmica real con el disipador térmico es una resistencia mucho menor
  • ✗Ignorar θCS (resistencia de la interfaz): el contacto en seco es de 0,5 a 1 °C/W; la pasta térmica se reduce a 0,1 a 0,2 °C/W; omitir esto subestima la Tj entre 5 y 15 °C
  • ✗Olvidando la dependencia de la temperatura del Rds (encendido): los MOSFET tienen una temperatura positiva (1,5-2 veces a Tj (máx.) frente a 25 °C); se requiere un cálculo iterativo para garantizar la precisión

Preguntas Frecuentes

Efectos inmediatos: aumento de la corriente de fuga (se duplica por cada 10 °C), reducción del voltaje de ruptura y posible fuga térmica. A largo plazo: electromigración acelerada, degradación por óxido de compuerta, fatiga de las juntas de soldadura. Según la norma MIL-HDBK-217F, la tasa de fallos se duplica por cada 10-15 °C por encima de la temperatura nominal. Superar la Tj (máx.) en 50 °C puede provocar una destrucción inmediata.
Heatsink improvements: larger surface area (10× area = 3× lower θSA), add fins, forced air (θSA reduces 3-10× with 1-3 m/s airflow). Interface improvements: thermal grease (θCS = 0.1°C/W) vs dry contact (0.5°C/W). Package selection: exposed-pad packages (QFN, D²PAK) have 5-10× lower θJC than leaded packages (SOIC, TO-92).
El artículoθJC (unión a la caja) mide la resistencia térmica a la superficie del paquete, fijada según el diseño del paquete (TO-220:1 °C/W, D²PAK: 0,5 °C/W). El artículo θJA (unión al ambiente) incluye todo el camino hacia el aire y varía según la PCB, el flujo de aire y el disipador térmico. Para calcular los disipadores térmicos, el uso del θJC + θCS + θSA. θJA solo es útil para circuitos integrados de señal pequeña sin disipadores térmicos.
Métodos directos: termografía infrarroja (precisión de ± 2 °C), termopar en la carcasa (añada θJC × PD para obtener Tj). Métodos indirectos: detección de Vbe o Vds (encendido) (diodo térmico calibrado, ± 3 °C), sensor de temperatura integrado en el chip (muchos circuitos integrados de alimentación lo incluyen). Según el JEDEC JESD51-14, la medición térmica transitoria proporciona una caracterización precisa de θJC.

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