Dieser verbesserte Wärmepfad reduziert den Temperaturanstieg am Übergang zwischen den elektronischen Bauelementen. Die folgende Veröffentlichung bietet eine allgemeine Einführung in die Auswahl von Kühlkörpern anhand der thermischen Daten Ihrer Anwendung und der Spezifikationen des Kühlkörperherstellers.

Ist ein Kühlkörper erforderlich?
Im Folgenden gehen wir davon aus, dass Sie eine Anwendung entwickeln, die einen Transistor im TO-220-Gehäuse verwendet, dessen Schalt- und Leitungsverluste eine Verlustleistung von 2,78 W ergeben und die Umgebungstemperatur im Betrieb voraussichtlich 50 °C nicht überschreiten wird. Ist für diesen Transistor ein Kühlkörper erforderlich?

Zeichnungen der Vorder- und Seitenansicht eines typischen TO-220-Gehäuses mit Kühlkörper

Im ersten Schritt müssen alle thermischen Widerstände erfasst und verstanden werden, die verhindern, dass die 2,78 W an die Umgebungsluft abgegeben werden. Kann diese Leistung nicht effizient abgeführt werden, steigt die Sperrschichttemperatur im TO-220-Gehäuse über die empfohlenen Betriebsbedingungen (typischerweise 125 °C für Silizium).
Die meisten Transistorhersteller geben einen thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung an, der mit dem Symbol Rθ_JA bezeichnet und in °C/W gemessen wird. Dieser Wert gibt an, um wie viel die Sperrschichttemperatur pro Watt Verlustleistung im Bauelement über die Umgebungstemperatur des TO-220-Gehäuses ansteigt.
Gibt der Transistorhersteller beispielsweise einen thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung von 62 °C/W an, bedeutet dies, dass die im TO-220-Gehäuse abgegebenen 2,78 W die Sperrschichttemperatur um 172 °C über die Umgebungstemperatur ansteigen lassen (berechnet als 2,78 W × 62 °C/W). Geht man von einer Umgebungstemperatur von 50 °C als ungünstigster Wert für diese Anwendung aus, erreicht die Sperrschichttemperatur 222 °C (berechnet als 50 °C + 172 °C). Dies überschreitet die Nenntemperatur von Silizium von 125 °C deutlich und führt zu einer dauerhaften Beschädigung des Transistors. Daher ist ein Kühlkörper erforderlich. Durch die Installation eines Kühlkörpers wird der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung erheblich reduziert. Im nächsten Schritt muss ermittelt werden, wie gering dieser Wärmewiderstand für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb sein muss.

Bestimmung der thermischen Impedanzpfade:
Beginnen Sie mit dem maximal zulässigen Temperaturanstieg. Beträgt die maximale Umgebungstemperatur der Anwendung 50 °C und muss die Silizium-Sperrschicht bei maximal 125 °C bleiben, so beträgt der maximal zulässige Temperaturanstieg 75 °C (berechnet als 125 °C - 50 °C).
Berechnen Sie anschließend die maximal zulässige thermische Impedanz zwischen der Sperrschicht und der Umgebungsluft. Bei einem maximal zulässigen Temperaturanstieg von 75 °C und einer Verlustleistung im TO-220-Gehäuse von 2,78 W ergibt sich eine maximal zulässige thermische Impedanz von 27 °C/W (berechnet als 75 °C ÷ 2,78 W).
Addieren Sie abschließend alle thermischen Impedanzpfade von der Silizium-Sperrschicht zur Umgebungsluft und stellen Sie sicher, dass die Summe kleiner als die maximal zulässige thermische Impedanz ist, die in diesem Beispiel 27 °C/W beträgt.

Grafische Darstellung der thermischen Impedanzen, die zwischen dem Übergang und der Umgebungsluft in einer typischen TO-220-Anwendung berechnet und summiert werden müssen

In der obigen Abbildung ist die erste benötigte thermische Impedanz die „Übergang-Gehäuse-Impedanz“, symbolisiert durch Rθ_JC. Sie gibt an, wie leicht Wärme vom Übergang, wo sie entsteht, auf die Oberfläche (das Gehäuse) des Bauelements (in diesem Beispiel TO-220) übertragen werden kann. Die meisten Hersteller führen diese Impedanz zusammen mit der Übergangs-Umgebungs-Impedanz in ihren Datenblättern auf. In diesem Beispiel wird die thermische Impedanz zwischen Übergang und Gehäuse mit 0,5 °C/W angenommen.

Die zweite notwendige thermische Impedanz ist die „Gehäuse-Kühlkörper-Impedanz“, symbolisiert durch Rθ_CS. Sie gibt an, wie leicht Wärme von der Gehäuseoberfläche des Bauteils auf die Oberfläche des Kühlkörpers übertragen werden kann. Aufgrund von Unebenheiten an den Oberflächen des TO-220-Gehäuses und der Kühlkörperbasis wird generell empfohlen, eine Wärmeleitpaste (TIM) zwischen den beiden Oberflächen zu verwenden, um eine vollständige thermische Kopplung zu gewährleisten. Dies verbessert die Wärmeübertragung vom TO-220-Gehäuse zum Kühlkörper deutlich, führt jedoch zu einer damit verbundenen thermischen Impedanz, die berücksichtigt werden muss.

Vergrößerte Zeichnung der Oberfläche, die die Notwendigkeit eines Wärmeleitmaterials (TIM) verdeutlicht.

Überlegungen zu Wärmeleitmaterialien:
Wärmeleitmaterialien (TIMs) werden typischerweise durch ihre Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter-Celsius (W/(m °C)) oder Watt pro Meter-Kelvin (W/(m K)) charakterisiert. Celsius und Kelvin sind in diesem Beispiel austauschbar, da beide die gleiche Temperatureinheit verwenden und die Temperaturänderung berechnet wird (z. B. entspricht eine Temperaturerhöhung von 45 °C einer Temperaturerhöhung von 45 K). Die Einheit Meter ist erforderlich, da die Impedanz des TIMs vom Verhältnis zwischen Dicke (der Dicke des TIM-Materials in Metern) und Fläche (der Fläche, über die sich das TIM erstreckt, in Quadratmetern) abhängt, was zu 1/m führt (berechnet als m/m² = 1/m). Wir gehen in unserem Blogbeitrag „Die Bedeutung von Wärmeleitmaterialien“ ausführlicher auf TIMs ein.

In diesem Beispiel wird eine dünne Schicht Wärmeleitpaste (TIM) auf die Metallzunge eines TO-220-Gehäuses aufgetragen. Die spezifischen Eigenschaften der Wärmeleitpaste und die Anwendungsdetails sind wie folgt:
Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste (K): 0,79 W/(m °C) = 0,79 W/(m K);
Auftragsfläche der Wärmeleitpaste: 112 mm² = 0,000112 m²^{Auftragsdicke}
der Wärmeleitpaste: 0,04 mm = 0,00004 m

Die Wärmeleitfähigkeit des TIM kann anhand der oben genannten Eigenschaften mit folgender Gleichung berechnet werden (beachten Sie die Verwendung von Metern, um die Einheitlichkeit der Einheiten zu gewährleisten):
Rθ_CS = (Dicke / Fläche) × (1 / Wärmeleitfähigkeit)
Rθ_CS = (0,00004 / 0,000112) × (1 / 0,79)
Rθ_CS = 0,45 °C/W bzw. 0,45 K/W

Auswahl des Kühlkörpers:
Die endgültige erforderliche Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen Kühlkörper und Umgebung, symbolisiert durch Rθ_SA. Sie gibt an, wie leicht Wärme von der Unterseite des Kühlkörpers an die Umgebungsluft abgegeben wird. Kühlkörperhersteller wie Same Sky stellen häufig Diagramme (siehe unten) oder Datenpunkte zur Verfügung, um zu veranschaulichen, wie leicht Wärme unter verschiedenen Luftstrom- und Lastbedingungen vom Kühlkörper an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Diagramm, das den typischen Temperaturanstieg der Kühlkörper-Montagefläche über der Umgebungstemperatur zeigt

In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Anwendung unter natürlichen Konvektionsbedingungen ohne Luftstrom arbeitet. Mithilfe der obigen Grafik lässt sich die resultierende Wärmeleitfähigkeit (vom Kühlkörper zur Umgebung) für diesen speziellen Kühlkörper berechnen. Die Wärmeleitfähigkeit unter diesen spezifischen Betriebsbedingungen ergibt sich aus dem Temperaturanstieg an der Oberfläche gegenüber der Umgebungstemperatur, dividiert durch die abgegebene Wärmemenge. In diesem Beispiel beträgt die abgegebene Wärmemenge 2,78 W, was zu einem Temperaturanstieg von 53 °C an der Oberfläche gegenüber der Umgebungstemperatur führt. Die Division von 53 °C durch 2,78 W ergibt eine Wärmeleitfähigkeit vom Kühlkörper zur Umgebung von 19,1 °C/W (berechnet als 53 °C ÷ 2,78 W).

In früheren Berechnungen betrug die maximal zulässige Impedanz zwischen Sperrschicht und Umgebungsluft 27 °C/W. Nach Abzug der Impedanz zwischen Sperrschicht und Gehäuse (0,5 °C/W) sowie der Impedanz zwischen Gehäuse und Kühlkörper (0,45 °C/W) ergibt sich eine verbleibende maximale Reserve für den Kühlkörper von 26,05 °C/W (berechnet als 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W). Die thermische Impedanz von 19,1 °C/W für diesen Kühlkörper unter den angenommenen Bedingungen liegt deutlich unter der zuvor berechneten Reserve von 26,05 °C/W. Dies führt zu einer niedrigeren Silizium-Sperrschichttemperatur im TO-220-Gehäuse und einer größeren thermischen Reserve im Design. Die maximale Sperrschichttemperatur lässt sich abschätzen, indem man alle thermischen Widerstände addiert, sie mit der an der Sperrschicht dissipierten Leistung in Watt multipliziert und das Ergebnis zur maximalen Umgebungstemperatur addiert:
Geschätzte Sperrschichttemperatur = Umgebungstemperatur + Leistung in Watt × (RθJ-C + RθCS + RθSA)
Geschätzte Sperrschichttemperatur = 50 + 2,78 × (0,5 + 0,45 + 19,1)
Geschätzte Sperrschichttemperatur = 105,7 °C

Die Bedeutung von Kühlkörpern:
Kühlkörper sind ein wichtiger Bestandteil des Wärmemanagements, wie dieses Beispiel zeigt. Ohne Kühlkörper hätte die Silizium-Sperrschicht im TO-220-Gehäuse die zulässige Temperaturgrenze von 125 °C deutlich überschritten. Das in diesem Beispiel verwendete Verfahren lässt sich leicht anpassen und wiederholen, um Entwicklern die Auswahl geeigneter Kühlkörper für unterschiedlichste Anwendungen zu erleichtern.

Fazit:
Kühlkörper sind ein wichtiger Bestandteil der Schaltungsentwicklung, da sie einen effizienten Weg zur Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft und weg von den elektronischen Bauteilen bieten.
Die Definition der maximalen Umgebungstemperatur und der Verlustleistung innerhalb der Anwendung trägt zur Optimierung der Kühlkörperauswahl bei. Der Kühlkörper sollte weder zu klein sein, um Überhitzung zu vermeiden, noch zu groß, um unnötige Kosten zu vermeiden.
Wärmeleitmaterialien (TIMs) spielen eine wichtige Rolle für eine effizientere und gleichmäßigere Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen.
Sobald die Anwendungsparameter (z. B. Umgebungstemperatur, Verlustleistung, Wärmeleitfähigkeit usw.) definiert sind, helfen die Produktfilter von Same Sky dabei, den passenden Board- oder BGA-Kühlkörper für jede Anwendung zu finden.

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Autor: Ryan Smoot, Same Sky