Power-Tipp von TI, Teil 9 Abschätzen des Temperaturanstiegs bei oberflächenmontierten Halbleitern

Früher war es für den Entwickler relativ einfach, den Temperaturanstieg bei Halbleitern abzuschätzen: Man brauchte sich nur anzusehen, wie viel Leistung ein Bauelement in Wärme umwandelte, und konnte dann über das elektrische Ersatzschaltbild des Wärmestroms ermitteln, welcher Kühlkörper nötig war.

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CTX Thermal Solutions GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Texas Instruments Deutschland GmbH

Heutzutage stellt sich dieses Problem weitaus komplexer dar, denn bei modernen Baugruppen ist man aus Platz- und Kostengründen bestrebt, den Einsatz von Kühlkörpern zu vermeiden. Sind Halbleiter in thermisch optimierten Gehäusen untergebracht, muss die Leiterplatte die Funktion des Kühlkörpers übernehmen und die gesamte erzeugte Wärme abführen.

Wie Bild 1 zeigt, strömt die Wärme durch eine metallische Kühlfahne und das Gehäuse in die Leiterplatte. Anschließend wird sie seitlich über die Leiterbahnen weitergeleitet und dann durch natürliche Konvektion von der Leiterplattenoberfläche an die Umgebungsluft abgegeben. Die für den Temperaturanstieg des Halbleiterchips entscheidenden Faktoren sind die Menge des in der Leiterplatte enthaltenen Kupfers und die Größe der Fläche, die für den konvektiven Wärmeübergang zur Verfügung steht.

In den Datenblättern von Halbleiterbauelementen wird üblicherweise ein Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung angegeben, der für eine bestimmte Leiterplattenkonfiguration gilt. Der Entwickler müsste somit nur die Verlustleistung mit diesem Wärmewiderstand multiplizieren, um den Temperaturanstieg zu berechnen. Problematisch wird die Sache aber, wenn das Design nicht der vorgegebenen Konfiguration entspricht oder der Wärmewiderstand weiter verringert werden muss.

Bild 2 zeigt zur Veranschaulichung ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild für die Problematik des Wärmestroms. Die im IC umgesetzte Leistung wird hier durch eine Stromquelle repräsentiert, und die Wärmewiderstände sind als elektrische Widerstände dargestellt. Diese Schaltung lässt sich nach den Spannungen auflösen, die die Ersatzgrößen für die Temperaturen bilden.

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