Superaquecimento de IC: guia para cálculo de temperatura de junção...

A temperatura que você não pode medir diretamente

Cada semicondutor tem uma temperatura máxima de junção — normalmente 125° C ou 150° C para a maioria das peças, às vezes 175° C para silício automotivo. Exceda esse limite e você terá um envelhecimento acelerado, um desvio paramétrico ou uma falha total. O problema? Você não pode colocar um termopar na matriz. A junção está enterrada sob a embalagem e a temperatura da caixa que você pode medir é sempre mais fria do que a que está acontecendo lá dentro.

Então, calculamos isso. E é melhor acertar, porque o design térmico é uma daquelas áreas em que errar a 20 °C pode significar a diferença entre um produto que funciona por dez anos e outro que morre em seis meses.

A cadeia de resistência térmica

O calor flui da junção para o ambiente por meio de uma série de resistências térmicas, e elas se somam exatamente como as resistências elétricas em série. A resistência térmica total da junção ao ambiente é:

Onde $\theta_{JC}$ é junção a caixa,$\theta_{CS}$ é caixa a dissipador de calor (a interface) e $\theta_{SA}$ é dissipador de calor para ambiente. Cada um deles tem um significado físico real:

Junção à caixa ($\theta_{JC}$) : Isso é definido pelo design da embalagem e pela fixação da matriz. Você o obtém da folha de dados e não há nada que você possa fazer a respeito. Um pequeno QFN pode ser de 2 a 5° C/W, enquanto um TO-220 antigo é normalmente de 0,5 a 1,5° C/W. O pacote é muito importante aqui. Caixa a dissipador de calor ($\theta_{CS}$) : Essa é a resistência térmica da interface — o espaço entre a embalagem e o local em que você a está montando. O contato seco é terrível, cerca de 1,0° C/W para um TO-220. A pasta térmica reduz isso para aproximadamente 0,5° C/W. As almofadas térmicas são convenientes, mas um pouco piores do que a pasta, cerca de 0,3° C/W para as boas. A montagem direta da solda em um plano de cobre reduz para 0,1° C/W ou menos. Dissipador de calor para ambiente ($\theta_{SA}$) : Isso depende do tamanho do dissipador de calor, da geometria da aleta e do fluxo de ar. Um TO-220 vazio parado no ar pode estar a 50°C/W. Adicione um pequeno dissipador de calor com encaixe e você estará a 20°C/W. Um dissipador de calor com aletas adequado leva você a 5-10°C/W. Coloque um pouco de ar sobre ele e você poderá atingir 2°C/W ou menos.

Depois de obter o total de $\theta_{JA}$, a temperatura da junção é simplesmente:

É isso mesmo. A dissipação de energia vezes a resistência térmica aumenta a temperatura acima do ambiente.

Um exemplo prático: regulador LDO em um gabinete industrial

Digamos que você esteja projetando com um regulador linear de 12 V para 5 V a 200 mA. A dissipação de energia é simples:

Isso é muito para um pequeno pacote SOT-223. A folha de dados diz $\theta_{JC}$= 15°C/W (típico para esse estilo de embalagem). Você o está soldando a um PCB com um fluxo de cobre decente, então vamos chamar $\theta_{CS}$= 0,3°C/W. O PCB em si atua como dissipador de calor — sem dissipador de calor externo — então $\theta_{SA}$ talvez seja 25°C/W se você tiver um plano de terra razoável.

Resistência térmica total:

Esta é uma aplicação industrial, portanto, o ambiente pode atingir 40° C dentro do gabinete. Temperatura de junção:

Se a peça estiver classificada para 125 °C no máximo, sua margem térmica é 125 - 96,4 = 28,6 °C. Isso parece bom, mas na verdade é marginal. O ambiente pode aumentar mais do que o nominal, a dissipação de energia aumenta se a tensão de entrada aumentar e os números de resistência térmica das folhas de dados são otimistas. Eu gostaria de pelo menos 30-40°C de margem para um produto que precisa durar.

Você pode abrir a Calculadora de temperatura de junção e conectar esses números diretamente. Ele também fornecerá as temperaturas intermediárias — caixa e superfície do dissipador de calor — o que é útil para verificação. Se você puder medir a temperatura da caixa com um termopar, poderá verificar a sanidade do seu modelo térmico.

E se adicionarmos um dissipador de calor?

Mesmo cenário, mas agora parafusamos um pequeno dissipador de calor de alumínio com $\theta_{SA}$= 10° C/W e usamos pasta térmica para a interface ($\theta_{CS}$= 0,5° C/W):

A margem térmica sobe para quase 50°C. Muito melhor. O dissipador de calor custa talvez $0,30 e evita uma taxa de falha de campo que custaria milhares em devoluções em garantia.

Por que a folha de dados $\theta_{JA}$ geralmente é inútil

A maioria das folhas de dados lista um valor de $\theta_{JA}$, e a maioria dos engenheiros o usa diretamente. Isso é um erro.

Esse número vem de uma placa de teste padrão JEDEC - normalmente uma placa de circuito impresso de 4 camadas com áreas específicas de cobre, testada em ar parado em um ambiente controlado. Sua placa real provavelmente tem uma cobertura de cobre diferente, empilhamento de camadas diferentes, fluxo de ar diferente e componentes próximos que adicionam calor. A folha de dados $\theta_{JA}$ pode ser de 40° C/W, mas seu valor real pode facilmente ser de 60° C/W ou 30° C/W, dependendo do layout.

O valor de junção a caixa ($\theta_{JC}$) é muito mais confiável porque é uma propriedade do pacote em si, não do PCB. Se você estiver fazendo um projeto térmico sério, construa a partir do $\theta_{JC}$ e estime o resto da corrente com base na sua situação real de montagem.

Erros e pegadinhas comuns

Esquecendo que o ambiente não é a temperatura ambiente

“Ambiente” significa a temperatura do ar ao lado do componente, não a temperatura ambiente. Dentro de um compartimento com outras fontes de calor, o ambiente pode ser facilmente 15-20°C mais alto do que o ar externo. Já vi engenheiros calcularem a temperatura da junção usando um ambiente de 25° C para um sistema que fica em uma caixa selada com um processador de 10 W próximo a ela. O ambiente real próximo ao regulador estava próximo de 55° C.

Ignorando a resistência térmica da interface

As pessoas ficam obcecadas com a seleção do dissipador de calor e depois o colocam sem composto térmico. Um contato seco de metal com metal pode adicionar 1-2° C/W, o que a 10 W de dissipação significa 10 a 20° C extras na junção. Essa é a diferença entre operação segura e desligamento térmico. Sempre use material de interface térmica. Sempre.

Assumindo um estado estacionário quando não está

Os cálculos acima pressupõem equilíbrio térmico — tudo se aqueceu e se estabilizou. Se sua carga for pulsada ou variar significativamente, a massa térmica do sistema é importante. Um pulso curto de alta potência pode não aquecer muito a junção se o pacote tiver capacitância térmica suficiente. Por outro lado, um componente pode sobreviver a uma breve sobrecarga, mas falhar se essa sobrecarga durar o suficiente para atingir o estado estacionário. A calculadora fornece resultados em estado estacionário, o que é o pior caso para operação contínua, mas não necessariamente para eventos transitórios.

Confiando nas classificações do dissipador de calor sem contexto

Um dissipador de calor de 5° C/W provavelmente foi testado em condições ideais — montado verticalmente com aletas orientadas para convecção natural, em ar parado, sem nada próximo bloqueando o fluxo de ar. Monte-o horizontalmente, enfie-o contra uma parede ou coloque-o em um compartimento apertado, e esses 5° C/W se tornam 8 ou 10° C/W. As classificações de ar forçado dependem ainda mais da velocidade real do fluxo de ar que você atinge.

Não deixando margem suficiente

A temperatura máxima de junção da folha de dados é exatamente isso — a máxima. Operar continuamente em $T_{J,max}$ reduz drasticamente a vida útil do componente. A equação de Arrhenius diz que a taxa de falha praticamente dobra a cada aumento de 10° C na temperatura da junção. Correr a 125° C em vez de 105° C pode reduzir seu MTBF pela metade. A maioria dos projetos preocupados com a confiabilidade tem como meta 20-30 °C abaixo do máximo nominal.

As temperaturas intermediárias também são importantes

A calculadora também mostra a temperatura da caixa e a temperatura do dissipador de calor. Elas não são apenas acadêmicas — elas são o que você realmente pode medir.

A temperatura da caixa indica o que um termopar na embalagem leria. Se a temperatura calculada da caixa for 85°C, mas você medir 95°C, seu modelo térmico está errado em algum lugar. Talvez a resistência da interface seja maior do que o esperado ou o dissipador de calor não esteja funcionando conforme a classificação.

A temperatura do dissipador de calor é útil para conformidade de segurança. Muitos produtos têm limites nas temperaturas da superfície palpável — normalmente 45°C para contato contínuo com a pele. Se o dissipador de calor estiver exposto e puder ser tocado, você precisará saber sua temperatura.

Quando a convecção natural não é suficiente

Às vezes, você faz as contas e percebe que não há dissipador de calor passivo que atenda às suas restrições. Um dispositivo de 20 W com aumento permitido de 50° C precisa de 25° C abaixo de 2,5° C/W. Isso é agressivo para a convecção natural.

O ar forçado muda tudo. Mesmo um fluxo de ar suave de 1-2 m/s pode reduzir a resistência térmica do dissipador de calor em 60 a 70%. Um ventilador pequeno pode reduzir seu $\theta_{SA}$ de 10° C/W para 2° C/W. A desvantagem é ruído, confiabilidade (os ventiladores falham) e consumo de energia. Mas às vezes é a única opção adequada.

Experimente

O design térmico é uma daquelas coisas fáceis de usar manualmente durante a prototipagem e difíceis de consertar na produção. Abra a Calculadora de Temperatura de Junção e calcule seus números antes de se comprometer com o layout do tabuleiro. Escolha sua temperatura ambiente com base em onde o produto realmente opera, não onde você o está testando. Use valores realistas de interface e dissipador de calor. E deixe margem — seu eu futuro agradecerá quando o produto não voltar do campo com reguladores esgotados.