Esta ruta térmica mejorada reduce el aumento de temperatura en la unión del dispositivo electrónico. La siguiente publicación tiene por objeto proporcionar una introducción de alto nivel a la selección de disipadores térmicos utilizando los datos térmicos de su aplicación y las especificaciones del proveedor de disipadores térmicos.
¿Es necesario un disipador térmico?
Para el resto de este artículo, supongamos que se está desarrollando una aplicación que utiliza un transistor alojado en un paquete TO-220, que las pérdidas por conmutación y conducción del transistor equivalen a una disipación de potencia de 2,78 W y que no se espera que la temperatura ambiente de funcionamiento de esta aplicación supere los 50 °C. ¿Se necesitará un disipador térmico para este transistor?
Dibujos de la vista frontal y lateral de un encapsulado TO-220 típico con disipador térmico
El primer paso es recopilar y comprender todas las impedancias térmicas que impiden que los 2,78 W se disipen en el aire ambiente. Si esos vatios no se pueden disipar de manera eficiente, la temperatura de unión dentro del encapsulado TO-220 aumentará más allá de las condiciones de funcionamiento recomendadas (normalmente 125 °C para el silicio).
La mayoría de los proveedores de transistores documentan una impedancia térmica «junción-ambiente» indicada con el símbolo Rθ J-A, que se mide en unidades de °C/W. Este valor representa cuánto aumentará la temperatura de la unión por encima de la temperatura ambiente que rodea el paquete TO-220 por cada vatio de potencia disipada dentro del dispositivo.
Por ejemplo, si el proveedor del transistor indica que la impedancia térmica de la unión al ambiente es de 62 °C/W, esto significa que los 2,78 W que se disipan dentro del paquete TO-220 harán que la temperatura de la unión aumente 172 °C por encima de la temperatura ambiente (calculado como 2,78 W x 62 °C/W). Suponiendo que la temperatura ambiente más desfavorable para esta aplicación es de 50 °C, la temperatura de la unión alcanzará los 222 °C (calculada como 50 °C + 172 °C). Esto supera con creces la temperatura nominal del silicio, que es de 125 °C, y dañará permanentemente el transistor. Por lo tanto, se necesita un disipador térmico. La instalación de un disipador térmico reducirá significativamente la impedancia térmica entre la unión y el ambiente. El siguiente paso será determinar cuán baja debe ser la ruta de impedancia térmica para un funcionamiento seguro y fiable.
Determinación de las rutas de impedancia térmica
Para ello, comience con el mayor aumento de temperatura permitido. Si la temperatura ambiente máxima de funcionamiento de la aplicación es de 50 °C y la unión de silicio debe permanecer a 125 °C o menos, el mayor aumento de temperatura permitido es de 75 °C (calculado como 125 °C - 50 °C).
A continuación, calcule la impedancia térmica máxima permitida entre la unión y el aire ambiente. Si el aumento de temperatura máximo permitido es de 75 °C y los vatios disipados en el paquete TO-220 son 2,78 W, la impedancia térmica máxima permitida sería de 27 °C/W (calculada como 75 °C ÷ 2,78 W).
Por último, sume todas las rutas de impedancia térmica desde la unión de silicio hasta el aire ambiente y asegúrese de que la suma sea inferior a la impedancia térmica máxima permitida, que en este ejemplo es de 27 °C/W.
Ilustración gráfica de las impedancias térmicas que deben calcularse y sumarse entre la unión y el aire ambiente en una aplicación TO-220 típica
En la figura anterior, la primera impedancia térmica necesaria es la «unión-carcasa», indicada con el símbolo Rθ J-C. Se trata de una medida de la facilidad con la que el calor puede transferirse desde la unión, donde se genera, hasta la superficie (carcasa) del dispositivo (TO-220 en este ejemplo). La mayoría de los proveedores indican esta impedancia en sus hojas de datos junto con la medida de la unión al ambiente. Para este ejemplo, la impedancia térmica entre la unión y la carcasa se supone que es de 0,5 °C/W.
La segunda impedancia térmica necesaria es la «carcasa-disipador», indicada con el símbolo Rθ C-S. Se trata de una medida de la facilidad con la que el calor puede transferirse desde la superficie (carcasa) del dispositivo a la superficie del disipador térmico. Debido a las irregularidades en las superficies de la carcasa TO-220 y la base del disipador térmico, se recomienda generalmente utilizar un material de interfaz térmica (TIM o «compuesto térmico») entre las dos superficies para garantizar que estén completamente acopladas desde el punto de vista térmico. Esto mejora considerablemente la transferencia de calor desde la carcasa TO-220 al disipador térmico, pero tiene una impedancia térmica asociada que debe tenerse en cuenta.
Dibujo ampliado de la superficie que muestra la necesidad de un material de interfaz térmica (TIM).
Consideraciones sobre los materiales de interfaz térmica
Los materiales de interfaz térmica (TIM) se caracterizan normalmente por su conductividad térmica en términos de vatios por metro-Celsius (W/(m °C)) o vatios por metro-Kelvin (W/(m K)). Celsius y Kelvin son intercambiables en este ejemplo porque ambos utilizan el mismo incremento de medición de temperatura y lo que se calcula es el aumento o la disminución de la temperatura (por ejemplo, un aumento de 45 °C en la temperatura equivale a un aumento de 45 K en la temperatura). La unidad de metros está presente porque la impedancia del TIM depende de la relación entre el espesor (el espesor del material TIM en metros) y el área (el área sobre la que se extiende el TIM en metros2), lo que da como resultado 1/m (calculado como m/m2 = 1/m). Analizamos los TIM con más detalle en nuestro blog La importancia de los materiales de interfaz térmica.
En este ejemplo, se aplicará una fina capa de TIM sobre la zona de la lengüeta metálica de una carcasa TO-220. A continuación se indican las propiedades específicas del TIM y los detalles de aplicación utilizados en este ejemplo:
Conductividad térmica del TIM («K»): 0,79 W/(m °C) = 0,79 W/(m K)
Área de aplicación del TIM: 112 mm2 = 0,000112 m2
Espesor de aplicación del TIM: 0,04 mm = 0,00004 m
La impedancia térmica del TIM se puede calcular a partir de las propiedades indicadas anteriormente utilizando la siguiente ecuación (tenga en cuenta el uso de metros para mantener la coherencia de las unidades):
Rθ C-S = (Espesor / Área) x (1 / Conductividad)
Rθ C-S = (0,00004 / 0,000112) x (1 / 0,79)
Rθ C-S = 0,45 C/W o 0,45 K/W
Selección del disipador térmico
La impedancia térmica final requerida es «del disipador al ambiente», indicada con el símbolo Rθ S-A. Se trata de una medida de la facilidad con la que el calor se transfiere desde la base del disipador al aire ambiente. Los proveedores de disipadores térmicos, como Same Sky, suelen proporcionar gráficos como el que se muestra a continuación o puntos de datos para ilustrar la facilidad con la que el calor se transfiere desde el disipador al aire ambiente en diversas condiciones de flujo de aire y cargas.
Gráfico que muestra el aumento típico de la temperatura de la superficie de montaje del disipador térmico por encima de la temperatura ambiente
Para este ejemplo, se supone que la aplicación funciona en condiciones de convección natural sin flujo de aire. El gráfico anterior se puede utilizar para calcular la impedancia térmica final (del disipador al ambiente) para este disipador térmico en particular. El aumento de la temperatura de la superficie por encima de la temperatura ambiente dividido por el calor disipado proporciona la impedancia térmica en esa condición de funcionamiento específica. En este ejemplo, el calor disipado es de 2,78 W, lo que da como resultado un aumento de la temperatura de la superficie por encima de la temperatura ambiente de 53 °C. Al dividir 53 °C entre 2,78 W se obtiene una impedancia térmica del disipador al ambiente de 19,1 °C/W (calculada como 53 °C ÷ 2,78 W).
En cálculos anteriores, la impedancia máxima permitida entre la unión y el aire ambiente era de 27 °C/W. Restando la impedancia de la unión a la carcasa (0,5 °C/W) y la impedancia de la carcasa al disipador (0,45 °C/W), el margen máximo restante para el disipador térmico es de 26,05 °C/W (calculado como 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W). La impedancia térmica de 19,1 °C/W para este disipador térmico en las condiciones supuestas está muy por debajo del margen calculado anteriormente de 26,05 °C/W. Esto se traduce en una temperatura de unión de silicio más fría dentro del paquete TO-220 y un mayor margen térmico en el diseño. La temperatura máxima de la unión se puede estimar sumando todas las impedancias térmicas, multiplicándolas por el número de vatios disipados en la unión y añadiendo el resultado a la temperatura ambiente máxima:
Temperatura estimada de la unión = TAmbiente + Vatios x ( RθJ-C + Rθ C-S + Rθ S-A)
Temperatura estimada de la unión = 50 + 2,78 x (0,5 + 0,45 + 19,1)
Temperatura estimada de la unión = 105,7 °C
La importancia de los disipadores térmicos
Los disipadores térmicos son un elemento importante en la gestión térmica, como se demuestra en este ejemplo. Sin el disipador térmico, la unión de silicio dentro del paquete TO-220 habría superado con creces el límite nominal de 125 °C. El proceso utilizado en este ejemplo se puede modificar y repetir fácilmente para ayudar a los diseñadores a seleccionar disipadores térmicos del tamaño adecuado para una gran variedad de aplicaciones diferentes.
Conclusiones
Los disipadores térmicos son un elemento importante en el diseño de circuitos, ya que proporcionan una vía eficiente para que el calor se transfiera al aire ambiente y se aleje de los dispositivos electrónicos.
Definir la temperatura máxima del entorno y la potencia disipada dentro de la aplicación ayudará a optimizar la selección del disipador térmico, que no debe ser demasiado pequeño para evitar que se queme ni demasiado grande para no malgastar dinero.
Los materiales de interfaz térmica (TIM) desempeñan un papel importante en la transferencia de calor de forma más eficiente y consistente entre dos superficies.
Una vez definidos los parámetros de la aplicación (por ejemplo, temperatura ambiente, disipación de potencia, rutas de impedancia térmica, etc.), los filtros de búsqueda de productos de Same Sky pueden ayudar a encontrar el disipador térmico de placa o BGA adecuado para cada aplicación.
Autor: Por Ryan Smoot, Same Sky
