Wie man in acht Schritten Maximalwerte und Wärmewiderstände interpretiert

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Analog Devices verwendet für die Anschlüsse seiner Bauelemente eine Zinn-Blei-Legierung und bleifreie Anschlüsse. Seit der Umstellung auf RoHS-konforme Produkte werden alle neu eingeführten Bauelemente ausschließlich mit bleifreien Werkstoffen hergestellt. Die maximale Löttemperatur beim Reflow-Löten ist für beide Werkstoffe unterschiedlich und beträgt 220°C für Zinn-Blei-Anschlüsse bzw. 260°C für bleifreie Anschlüsse.

Weitere Informationen enthält der IPC/JEDEC-Standard „IPC/JEDEC J-STD-020”. Die JEDEC-Standards können von der JEDEC-Website kostenlos heruntergeladen werden.

Unter allen Umständen sollte sichergestellt sein, dass die für ein Bauelement angegebenen Maximaltemperaturen eingehalten werden.

Was versteht man unter dem Wärmewiderstand?

Der absolute Wärmewiderstand oder auch absolute thermische Widerstand ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die entsteht, wenn ein Wärmestrom durch ein Objekt oder Material hindurchtritt. Der Wärmewiderstand gibt also eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien an (z.B. zwischen einer Transistor-Sperrschicht und der Umgebungsluft), wenn durch ihn eine Wärmeleistung von 1 W geleitet wird. Er wird ausgedrückt durch die Temperaturdifferenz ΔT pro Wärmestrom Q_v mit der Einheit [K/W]. Für den Wärmewiderstand ist das Symbol R_th bzw. in der englischen Literaturθ üblich. Mit der Angabe des Wärmewiderstands im Datenblatt lassen sich die thermischen Eigenschaften verschiedener Gehäuse vergleichen.

Analog Devices ermittelt die Wärmewiderstände seiner Bauelemente nach dem JEDEC-Standard und gibt die zugrundegelegten Prüfbedingungen im Datenblatt an. Beträgt der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft bei einem Operationsverstärker beispielsweise 120 K/W, stellt sich bei einer Verlustleistung von 1 W eine Temperaturdifferenz von 120 K zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft ein.

Welche Bedeutung haben die Angaben θ_ja und θ_jc?

Ein Beispiel für eine Tabelle mit Wärmewiderstandsangaben und Informationen zu θ_ja und θ_jc ist in Bild 3 zu sehen.

θ_jc steht für den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (junction to case) und bezeichnet den Widerstand, den der Wärmestrom zwischen Halbleiter-Sperrschicht und Gehäuse (Ober- oder Unterseite) überwinden muss. θ_jc hängt von der Dicke und Oberfläche des Halbleiters und der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe ab, die der Wärmestrom auf seinem Weg passiert.

Im JEDEC-Prüfstandard basiert die Definition von θ_jc auf der Annahme, dass die gesamte Wärme über die Gehäuseoberseite an einen Kühlkörper abgeleitet wird. Nach dieser Definition fließt also keinerlei Wärme über die Seitenflächen oder den Boden des Gehäuses ab. θ_jc ist also nur dann sinnvoll anzuwenden, wenn das Gehäuse direkt auf einen Kühlkörper montiert ist. Je kleiner θ_jc ist, umso leichter fließt die Wärme an den Kühlkörper ab (Gleichung 1).

θ_jc = (T_J – T_C) / P_D (Gl. 1)

Darin sind:

T_J die Sperrschichttemperatur,

T_C die Temperatur an der Oberfläche des Gehäuses und

P_D die im Gehäuse abfallende Verlustleistung.

θ_ja bezeichnet den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (junction to ambient). Dieser ist für den Wärmestrom von der Sperrschicht an die umgebende (ruhende) Luft relevant und gibt außerdem an, wie gut die Wärme von der Sperrschicht über alle in Frage kommenden Wege an die umgebende Luft abfließen kann.

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